La batterie à électrolyte solide : une révolution pour l'automobile

Pour lutter contre les embrasements et les explosions des batteries lithium-ion à électrolyte liquide, les chercheurs s'emploient à développer une lithium-ion à électrolyte solide. En plus d'une meilleure sécurité, elle apporterait bien d'autres avantages.

Usine GM à Orion : banc d'essai des batteries Chevrolet Volt avant leur montage définitif.

Des voitures qui vont toujours plus loin, une recharge toujours plus courte. Ce pourrait être la devise des véhicules électriques. La batterie est actuellement un enjeu majeur de développement de ces véhicules. Plus sa capacité est grande, meilleure est l'autonomie ; cependant le temps de recharge s'en trouve allongé proportionnellement.
Les voitures électriques actuelles sont dotées, en grande majorité, de différents types de batteries au lithium. Ainsi les batteries lithium-ion, les plus utilisées, équipent les voitures, les motos, les scooters électriques ou encore les vélos à assistance électrique. Leur durée de vie oscille entre 8 et 13 ans, mais l'autonomie se dégrade en cas de recharges rapides fréquentes.

Deux types de cellules présentés dans l'usine GM à Orion, qui produit la Chevrolet Bolt et sa cousine l'Opel Ampera-e.

Un court-circuit qui engendre un échauffement rapide et un emballement thermique qui peut se traduire par une explosion avec inflammation libérant des vapeurs toxiques.

Autre défaut, qui a fait beaucoup parler de lui récemment après plusieurs affaires explosives (au sens propre) : l'accumulateur lithium-ion s'avère potentiellement instable à cause de l'électrolyte et de la cathode — un défaut dont souffre moins la batterie lithium-ion polymère modelable, légère et plus stable. En cas de surcharge, ou lorsque la température est inférieure à –5 °C, des dendrites (excroissances) apparaissent au niveau d'une des deux électrodes et peuvent provoquer un court-circuit en touchant la seconde électrode. Court-circuit qui engendre un échauffement rapide et un emballement thermique qui peut se traduire par une explosion avec inflammation libérant des vapeurs toxiques. C'est malheureusement ce qui est arrivé au smartphone Samsung Galaxy Note 7, banni à vie des avions et retiré du marché. L'avionneur Boeing a également été confronté à cet emballement thermique sur son long courrier 787 Dreamliner, ainsi que Tesla avec l'incendie de l'une de ses Model S en 2016.
Pour limiter ces risques, les constructeurs utilisent un Battery Management System (BMS), un système électronique qui contrôle la charge de la batterie afin d'éviter les surtensions et sous-tensions à l'origine de l'emballement thermique.

La solution de l'électrolyte solide

La solution à ces problèmes a été trouvée par John Goodenough, un spécialiste en science des matériaux, professeur de l'université du Texas et co-inventeur de la batterie lithium-ion sortie dans les années 1980. Entouré d'une équipe de chercheurs et de sa consœur Maria Helena Braga, il a développé une batterie lithium dotée d'un électrolyte solide et donc de cellules ininflammables.

la batterie du professeur Goodenough peut fonctionner entre -20°C et 100°C sans nécessiter de refroidissement.

Concrètement, l'électrolyte se compose d'une plaque de verre qui fait office de séparation entre l'anode et la cathode. L'anode peut être constituée de différents métaux (lithium, potassium ou sodium). En outre, cette batterie d'un nouveau genre permet de doubler la capacité de charge et de décharge, donc l'autonomie, tout en augmentant la durée de vie. Autre point très intéressant, le temps de recharge se compte désormais en minutes et non plus en heures.

Même la plage thermique d'utilisation de la batterie solide est plus confortable : là où l'électrolyte liquide fonctionne de façon optimale pendant 15 ans à condition de ne pas dépasser 35 °C (d'où certains systèmes de refroidissement couplés aux batteries), la batterie du professeur Goodenough peut fonctionner entre -20 °C et 100 °C sans nécessiter de refroidissement.

Reste à savoir quand ce type de batterie entrera en production. Pas avant 3 ans selon les spécialistes, car il faut auparavant que les industriels développent un prototype (source : Energy & Environmental Science).

Les Japonais développent un lithium métal

Lors du dernier salon automobile de Tokyo en octobre 2017, le vice-président de Toyota, le Français Didier Leroy, a annoncé l'arrivée de la technologie Next Generation basée sur la batterie à l'état solide en 2025.
Coïncidence, des chercheurs japonais, le professeur Kanji Sugano de l'Institut de technologie de Tokyo et le professeur Yuki Kato de Toyota Motor Corp., ont également travaillé sur l'électrolyte solide. Ils ont développé un nouveau matériau, le Li10 Ge P2 S12 (composé de lithium, germanium, phosphore et soufre) doté d'une "conductivité ionique comparable aux électrolytes organiques". Malheureusement, le germanium coûte très cher et les chercheurs ont tenté de lui trouver un substitut sous la forme de silicium ou d'étain, mais la conductivité en était alors affectée.

(Crédits photo Hybrid Life)

Les chercheurs japonais ont finalement réussi à développer deux nouveaux matériaux aux propriétés conductrices super-ioniques, tous deux à base de lithium : Li9.54 Si1.74 P1.44 S11.7 Cl0.3 (lithium, silicium, phosphore, soufre et chlore) et Li9.6 P3 S12 (lithium, phosphore et soufre). Les essais ont montré une bonne stabilité des cellules et un fonctionnement sur une échelle de température comprise entre -30 °C et plus de 100 °C.

(Crédits photo Hybrid Life)

Ces nouvelles batteries lithium-ion pourraient tenir 1 000 cycles de charge/décharge et doubleraient la capacité actuelle. Quant à la durée de rechargement, elle se compterait ici aussi en minutes. D'après les chercheurs, c'est l'apport de chlore qui offrirait une meilleure conductivité, ils avouent ne pas trop savoir pourquoi (sources : Frontiers in Energy Research / Hybrid Life).

Fisker : une batterie solide chargée en 1 minute pour 800 km d'autonomie

L'entreprise Fisker, du nom de son créateur Henrik Fisker, est spécialisée dans la fabrication de voitures électriques plutôt haut de gamme et se définit comme un concurrent de Tesla.

Fisker Emotion, la prochaine berline électrique signée de son créateur Henrik Fisker. (crédits photo Fisker)

La marque vient d'annoncer une percée dans la technologie de la batterie solide, grâce à une "électrode tri-dimensionnelle" capable d'offrir une capacité multipliée par 2,5 par rapport à une batterie classique lithium-ion. Quant à l'autonomie, elle atteindrait les 800 km, tandis que la recharge ne demanderait qu'une minute !

Une nouvelle technologie de batterie solide développée par Fisker et Sakti3. (crédits photo Fisker).

Réelle annonce ou coup de bluff... on pourrait croire au coup de bluff, si ce n'est que le fournisseur de batterie n'est autre que Sakti3, un spécialiste de la batterie à l'état solide, racheté par Dyson en 2015 et dont l'un des fondateurs est vice-président en charge des accumulateurs chez Fisker.
Cette batterie solide made in Fisker ne devrait pas arriver avant 2023 dans le secteur de la voiture électrique. Néanmoins, Henrik Fisker souhaite que sa batterie révolutionnaire soit lancée avant cette date. Pour cela, il a noué des contacts avec différents industriels pour une utilisation dans des produits sans rapport avec l'automobile.

Tous les chercheurs et tous les constructeurs semblent donc s'accorder pour dire que la batterie à l'état solide est la prochaine révolution industrielle de l'automobile électrique. Dernier argument en faveur de cette nouvelle batterie, un coût de fabrication moindre, qui permettrait de réduire le prix du véhicule électrique.

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