Solid State Battery : de quoi parle-t-on ?
Définition Solid State Battery
La Solid State Battery ou batterie tout solide en français, est un accumulateur destiné à alimenter un véhicule. On l’appelle aussi parfois batterie à électrolyte solide.
Ce qui distingue Solid State Battery des autres types de batterie est la technologie utilisée. Dans les batteries lithium-ion qui sont actuellement installées sur le marché, les ions utilisent l’électrolyte liquide pour se déplacer. Dans une batterie solide, l’électrolyte liquide est remplacé par un composé inorganique solide.
Les premières Solid State Battery datent des années 1980 : elles étaient fabriquées en format couche mince. Puis, le développement de cette technologie a été ralenti en raison de la difficulté à fabriquer des batteries plus importantes. C’est finalement en 2011 que le projet a pu avancer au travers le projet de recherche de chercheurs japonais. De nouvelles formes d’électrolytes solides ont été découvertes, avec une conductivité ionique importante.
Aujourd’hui, on retrouve des batteries solides dans les pacemakers. Des projets de batteries destinées aux véhicules sont en cours de développement.
Les Solid State Battery devraient être les remplaçantes des accumulateurs au lithium (lithium ion batteries) car leur densité énergétique est plus intéressante. En plus, la fabrication se fait sans l’utilisation de métal rare comme le cobalt.
Fonctionnement Solid State Battery
Le fonctionnement d’une Solid State Battery est proche d’une batterie classique. De toute évidence, elle se compose de la même façon qu’une batterie ordinaire :
- deux électrodes en contact avec un élément conducteur (électrolyte) et isolées par un séparateur
- il y a une électrode négative (anode) et une électrode positive (cathode)
En revanche, ce sont les matériaux utilisés dans la composition de l’anode et de la cathode qui vont changer et ainsi influencer le potentiel d’énergie de la batterie.
Dans une batterie lithium-ion, l’anode se compose de graphite, la cathode de dioxyde de cobalt et l’électrolyte de lithium.
Au contraire, dans une batterie solide où l’on utilise un électrolyte solide, on fait appel à des composés différents. Par exemple, l’anode et la cathode pourraient être fabriquées avec du lithium plus performant.
Au niveau de l’électrolyte solide, ce matériau serait un type de céramique composé de plusieurs éléments (sodium, phosphore, zirconium) et que l’on pourrait trouver dans l’écorce terrestre, même en Europe. Des recherches sont actuellement en cours en ce sens, notamment en Allemagne au sein de l’Institut Fraunhofer.
Résultats ? On peut espérer des volumes de batterie réduits avec une puissance supérieure tout en ôtant certains risques de sécurité liés à l’utilisation des batteries lithium.
Avantages de la Solid State Battery
Améliorer les capacités des batteries
Une Solid State Battery donnerait lieu à une avancée majeure pour le développement des véhicules électriques en augmentant l’autonomie des véhicules électriques.
On sait que c’est un critère important qui limite à ce jour encore l’achat d’un véhicule électrique. En effet, les véhicules thermiques ont une meilleure autonomie.
Or, il y a deux façons d’augmenter l’autonomie d’une voiture :
- augmenter le volume de batterie
- augmenter la puissance de la batterie
Dans le premier cas, ce n’est pas viable : la voiture serait trop lourde. En revanche, avec une batterie solide, le niveau d’autonomie serait le même qu’avec une voiture thermique sans alourdir le véhicule.
Une batterie solide a une capacité énergétique jusqu’à 3 fois supérieure à celle des habituelles batteries lithium-ion.
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Plus de sécurité
De plus, la Solid State Battery a un autre avantage de taille par rapport à un accumulateur classique : sa sécurité.
En effet, en utilisant des électrolytes solides inorganiques, les éléments ne sont ainsi plus inflammables comme sur des composants liquides. Cela diminuerait le risque d’auto-incendie qui peut survenir lors d’un accident de voiture.
D’un point de vue technique, la batterie solide présente aussi des atouts incontestables. Pour sa production, les matériaux utilisés ont une plus forte capacité de tension pour créer des batteries plus denses mais plus légères.
Ainsi, les véhicules pourront être équipés de batterie avec une durée de vie plus importante, moins difficiles à manipuler et surtout moins chère à produire à long terme.
Disponibilité et perspectives pour la Solid State Battery
Des projets en cours de finalisation
Incontestablement, la Solid State Battery est la batterie du futur sur laquelle de nombreux constructeurs automobiles parient !
À ce stade, l’industrialisation de la batterie solide n’est pas pour tout de suite. Mais on sait dès à présent que des groupes automobiles travaillent à son développement.
Par exemple, Volkswagen s’est lié à Quantum Scape Corporation, une entreprise qui effectue des recherches sur les batteries, pour présenter son premier modèle équipé d’une batterie solide. Leur collaboration devrait permettre de créer une première ligne de production pour un modèle de voiture équipé à paraître en 2025.
Du côté des marques Ford et BMW, elles soutiennent la start-up Solid Power, spécialisée dans les batteries. Solid Power aurait levé 130 millions de dollars en mai 2021 pour développer son modèle de batterie solide.
Plusieurs pays européens se sont également réunis pour créer une vraie chaîne de valeur autour de la batterie électrique au travers du groupe European Battery Alliance. Au total, pas loin de vingt sociétés variées progressent ensemble pour faire avancer la recherche dans le domaine et ainsi proposer des batteries entièrement “Made in Europe”.
On sait dès à présent que l’entreprise chinoise Qing Tao Energy Development a pu développer une production de batterie solide avec une meilleure densité énergétique qu’une batterie lithium. Mais la cadence de fabrication ne permet pas encore aujourd’hui de délivrer des batteries pour l’industrie.
La “course” à la Solid State Battery reste donc un enjeu de taille pour le développement de cette technologie et du parc de véhicules électriques.
La Solid State Battery a-t-elle des inconvénients ?
Les batteries à électrolyte solide sont attendues depuis longtemps par les acteurs des véhicules électriques, les véhicules équipés de piles à combustibles, mais également ceux qui développent les technologies à l’hydrogène.
À ce jour, évidemment, son principal inconvénient est son coût puisque la production en est encore à ses balbutiements. Les premiers véhicules équipés d’une Solid State Battery devraient avoir un coût d’achat supérieur en raison de l’arrivée de cette nouvelle technologie.
On ne sait à ce jour pas encore si la charge des batteries tout solide sera aussi rapide qu’avec une batterie classique. Il reste également en suspens la question de l’approvisionnement en électricité pour supporter une mutation importante du parc automobile vers le tout électrique.
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