La popularité croissante des piles à semi-conducteurs

L'annonce par Toyota d'une "percée technologique" pour résoudre les problèmes de durabilité et d'une "solution pour les matériaux" pour une batterie à l'état solide (SSB) alimentant les véhicules électriques en juillet 2023 a déclenché une nouvelle vague d'intérêt pour les batteries à l'état solide, en plus des efforts continus d'entreprises telles que BMW, CATL, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, LG, Mercedes-Benz, Nissan, Panasonic, Samsung, Volkswagen, etc.

Les batteries à l'état solide revêtent une importance stratégique dans de nombreux pays et régions.

Par exemple, l'Allemagne a affecté un milliard d'euros au soutien d'un consortium cherchant à produire des cellules de batteries pour voitures électriques et prévoit de financer un centre de recherche pour développer les batteries à l'état solide de la prochaine génération.

Au Royaume-Uni, un projet de collaboration de 30 mois, "PowerDrive Line", développe une batterie à l'état solide à base de lithium pour les véhicules électriques et les véhicules hybrides rechargeables et établit une ligne pré-pilote pour cette technologie de cellule de batterie à l'état solide.

Le gouvernement japonais a créé le Consortium for Lithium-Ion Battery Technology and Evaluation Center (Libtec) pour faire avancer la recherche sur les batteries à l'état solide.

En Corée du Sud, les trois plus grands fabricants de batteries, SK Innovation, LG Chem et Samsung SDI, encouragent la recherche commune sur les domaines des batteries de nouvelle génération, y compris les batteries à l'état solide.

Les entreprises américaines spécialisées dans les batteries à l'état solide ont attiré des investissements de la part de fournisseurs mondiaux de batteries, de constructeurs automobiles et de capitaux à risque, et des progrès constants ont été signalés.

En remplaçant l'électrolyte liquide organique inflammable par un électrolyte à l'état solide (SSE), les batteries à l'état solide permettent d'améliorer la sécurité et la tolérance aux abus. L'électrolyte solide peut également être associé à une anode en lithium métal et à une cathode à haute tension, ce qui permet d'obtenir une densité énergétique potentiellement plus élevée.

Les caractéristiques particulières des batteries à l'état solide permettent de les connecter en série et en parallèle au sein d'une cellule, ce qui se traduit par des conceptions d'emballage flexibles.

En outre, la conception innovante des packs permet une plus grande efficacité d'assemblage, ce qui contribue à augmenter la densité énergétique et à réduire les coûts au niveau du système.

Les propositions de valeur uniques ont conduit les chercheurs universitaires, les développeurs de batteries, les équipementiers automobiles, les investisseurs et les fournisseurs de matériaux et de composants à s'intéresser aux batteries à l'état solide. En outre, la fabrication conventionnelle de batteries Li-ion a toujours été dominée par les pays d'Asie de l'Est, avec des contributions notables du Japon, de la Chine et de la Corée du Sud. Toutefois, un changement important est en cours, les États-Unis et plusieurs nations européennes se faisant concurrence dans la course, ce qui a pour effet de réorienter la création de valeur ajoutée au détriment de l'Asie de l'Est, l'accent étant mis stratégiquement sur l'établissement d'installations de fabrication de batteries plus proches des marchés d'application.

Ce paysage en évolution est marqué par l'exploration de nouveaux matériaux et composants, ainsi que par la réévaluation des processus de fabrication. Ceux-ci offrent la possibilité de réorganiser la chaîne d'approvisionnement des batteries. D'un point de vue technologique et commercial, le développement des batteries à l'état solide s'est imposé comme un élément de la stratégie de la prochaine génération de batteries. Il s'est transformé en une entreprise mondiale caractérisée par des intérêts régionaux et un soutien gouvernemental substantiel. De nouveaux matériaux, composants, systèmes, méthodes de fabrication et savoir-faire offriront des opportunités.

Des batteries à l'état solide à base de polymères sont déjà disponibles sur le marché, comme dans le cas du Daimler eCitaro.

Les batteries semi/hybrides/pseudo à l'état solide sont à l'essai, testant continuellement leurs échantillons pour les équipementiers.

Pendant ce temps, les batteries à semi-conducteurs à base de céramique (ASSB) restent fermement dans le domaine de la recherche et du développement.

La plupart des batteries à l'état solide commercialisées et celles qui le seront bientôt sont des batteries hybrides semi-solides, c'est-à-dire qu'elles peuvent contenir de petites quantités de liquide ou de gel.

À proprement parler, ce ne sont pas toutes des batteries à l'état solide (ASSB). Du point de vue de l'utilisateur final, peu importe la technologie déployée tant que les batteries offrent les caractéristiques requises.

Par conséquent, les technologies semi-solides peuvent constituer une bonne transition entre la technologie de batteries à l'état solide à base de polymères déjà commercialisée et la future technologie de batteries à l'état solide à base de sulfures. Les technologies devenant de plus en plus matures, nous pourrons passer aux ASSB en douceur.

En tant que marché potentiel le plus important, l'automobile est la cible de presque tous les fournisseurs de batteries à l'état solide. Entre-temps, les applications de niche qui exigent une plus grande tolérance aux abus et qui sont moins sensibles au prix peuvent être les fruits les plus faciles à cueillir pour les batteries à l'état solide.

L'annonce de Toyota a de nouveau souligné l'importance d'un développement continu des matériaux. Par conséquent, il est encore nécessaire de poursuivre l'exploration des matériaux, l'optimisation des dispositifs et les mécanismes de dégradation des batteries. Entre-temps, le développement doit également se concentrer sur la validation des cellules et la conception des systèmes. Il s'agit par exemple des systèmes cellule-emballage (CTP), des systèmes de gestion thermique et des conceptions mécaniques.

Le concept de système cellule-emballage n'est pas nouveau, et on le retrouve dans les conceptions basées sur les batteries Li-ion, telles que la batterie à lame de Byd et les conceptions de systèmes cellule-emballage de CATL.

Le concept de systèmes cellule-emballage deviendra plus important en raison de la meilleure sécurité et de la possibilité d'empilage bipolaire des cellules de batteries à l'état solide. La sécurité des batteries signifie une conception plus souple des packs et moins d'électronique et de composants utilisés dans les modules/packs de batteries.

Par exemple, la conception bipolaire permet un empilage plus serré et une densité énergétique plus élevée, ce qui se traduit par une densité énergétique potentiellement plus élevée et un coût comparable au niveau du système.

Le système de gestion thermique ne peut pas être éliminé pour les batteries à l'état solide, mais il peut être utilisé de manière à cibler différentes zones de fonctionnement sûres.

Par conséquent, la température idéale requise pour les de batteries à l'état solide peut être différente de celle des batteries Li-ion.

Source : Rapport IDTechEx "Batteries à semi-conducteurs et à polymère 2023-2033

Auteur : Dr Xiaoxi He, Directeur de recherche, IDTechEx