Batteries - L'électrolyte solide promet des progrès

La transformation de la technique de propulsion des voitures individuelles et des véhicules utilitaires avance rapidement. L'e-mobilité, et donc la batterie, sont au centre de l'attention. Le thème omniprésent est celui de la batterie à l'état solide, qui devrait éliminer plusieurs inconvénients des systèmes de stockage d'électricité actuels.

Ceux qui pensaient que le Symposium international des moteurs de Vienne, traditionnellement un grand rassemblement de spécialistes des moteurs à combustion, se dissoudrait rapidement suite au tournant disruptif de la propulsion dans la construction automobile, se trompent. Même après l'interruption de deux ans due au COVID-19, un bon millier d'intéressés du monde entier se sont à nouveau réunis en 2023 à la Hofburg de Vienne. Le visiteur régulier du symposium a été frappé par la rapidité et l'élégance avec lesquelles le symposium a mis en œuvre la transformation du moteur à combustion en moteur électrique. Cette année encore, l'accent a été mis sur l'interaction entre les systèmes de propulsion ainsi que les sources d'énergie, le stockage de l'énergie et les convertisseurs d'énergie.

Le développement des moteurs électriques est aujourd'hui au centre des préoccupations dans le monde entier. Les constructeurs automobiles et les fournisseurs se consacrent à l'amélioration continue des composants de la batterie, du moteur et de l'électronique de puissance. Dans le domaine des batteries en particulier, il est urgent de réaliser de nouveaux progrès. Les batteries à l'état solide, en particulier, pourraient permettre d'augmenter considérablement la densité de puissance. Depuis une dizaine d'années, de tels systèmes de batteries sont annoncés comme étant proches de la production en série, mais des développements technologiques sont encore nécessaires, car la durée de vie et la fiabilité requises ne peuvent pas encore être garanties. Lors du symposium viennois sur les moteurs, Thomas Schmall, membre du directoire de VW, a évoqué l'année 2027 comme date de lancement de la première batterie à l'état solide produite en série.

En raison de leur potentiel de haute densité énergétique et de sécurité, Hendrik Löbberding de l'entreprise de développement allemande FEV considère les cellules de batteries à l'état solide comme la "prochaine grande chose" dans le développement de la batterie. Cependant, il y a encore de nombreux défis à relever en ce qui concerne la maturité technique ainsi que le processus de production et les coûts. De plus, les objectifs des constructeurs automobiles sont extrêmement ambitieux : 900 kilomètres d'autonomie et un prix de batterie de 75 euros maximum par kilowattheure. Aujourd'hui, de très nombreux fabricants de batteries développent et analysent déjà des systèmes à l'état solide dans le monde entier. Les entreprises d'Asie de l'Est sont toujours leaders, a déclaré Löbberding à Vienne, mais depuis peu, les développeurs de batteries américains ont également pris de l'élan. FEV s'est associé au partenaire taïwanais Prologium pour la recherche sur les systèmes à l'état solide.

Si, dans une batterie lithium-ion, l'anode et la cathode ne sont pas séparées par un électrolyte liquide, mais par un électrolyte solide, le choix du matériau est très délicat, car il existe une multitude de possibilités. Pour les développeurs de batteries, il s'agit alors de trouver la composition optimale de l'électrolyte solide. Rien que pour la chimie de cellule la plus courante aujourd'hui, avec une anode en graphite et une cathode NMC (nickel, manganèse, cobalt), il existe de nombreux matériaux qui entrent en ligne de compte comme électrolyte. La question de la chimie devient encore plus complexe si l'on tient compte des évolutions de l'anode et de la cathode. Dans l'anode, on ajoute du silicium au graphite - actuellement techniquement raisonnable jusqu'à environ 20 pour cent. Du côté de la cathode, les systèmes LFP (lithium-fer-phosphate) deviennent de plus en plus intéressants pour des raisons de ressources et de coûts.

Les céramiques - oxydes et sulfures - et les polymères conducteurs entrent en ligne de compte comme matériaux pour les électrolytes à l'état solide. La diversité de la chimie des cellules pour les systèmes à l'état solide aux propriétés les plus diverses exige des développements très spécifiques aux applications. En outre, des solutions avec des électrolytes liquides et solides sont envisageables. De tels concepts hybrides présentent une densité énergétique légèrement inférieure à celle des systèmes entièrement solides. Selon Löbberding, on ne sait pas encore quels systèmes s'imposeront dans la prochaine génération de batteries lithium-ion.

Dans les années à venir, de nombreuses variantes de chimie cellulaire continueront à être en concurrence, car il n'existe pas de voie royale en vue. Enfin, en dehors de tous les aspects techniques, le prix des batteries continuera à jouer un rôle important à l'avenir.

Marc Sens, de l'entreprise d'ingénierie allemande IAV, a présenté à Vienne le système hybride Twin Battery. Celui-ci se compose de huit modules lithium-ion à l'état solide avec des cellules à anode lithium-métal et à cathode LFP ainsi que de deux modules à électrolyte liquide et ions sodium. Dans ce pack de batteries durables, une attention particulière a été accordée à la longue durée de vie, à la bonne recyclabilité et au coût modeste des matériaux utilisés. Il est vrai qu'avec les cellules sodium-ion, il faut s'accommoder d'une légère perte de densité énergétique, mais cet inconvénient est au moins partiellement compensé par l'excellente capacité de charge rapide, la performance à basse température et la bonne résistance au vieillissement. De plus, les cellules sodium-ion sont très sûres et nettement moins chères que les systèmes lithium-ion. De plus, contrairement aux cellules à l'état solide, elles n'ont pas besoin d'être chauffées.

Le grand fournisseur allemand Mahle coopère depuis peu dans le domaine des batteries à l'état solide avec le spécialiste taïwanais des batteries Prologium. Les deux entreprises développent ensemble des solutions intelligentes de gestion thermique pour les batteries à l'état solide. L'objectif est notamment d'optimiser la puissance, l'efficacité et les coûts, mais aussi le vieillissement des systèmes.