Pour les voitures électriques, la batterie est l’un des éléments les plus importants avec le moteur électrique. Une des pistes de grandes améliorations pour les batteries Lithium-ion est la batterie à état solide. Mais concrètement une batterie solid state, c’est quoi ?
- Une batterie à état solide est composée d’un électrolyte solide entre les électrodes
- Meilleure densité énergétique, meilleure sécurité, charge rapide mieux supportée
- Mais cela coûte encore plus cher et pose des soucis de dendrites
- L’avenir immédiat des Lithium-ion est sans doute avec les batteries solid-state
Comment fonctionne une pile électrochimique ?
Le principe global d’un accumulateur est d’avoir deux bornes ou pôles – l’anode et la cathode ou électrode négative et électrode positive – avec un environnement appelé électrolyte entre elles. Cet électrolyte est par définition conducteur via des ions (cations ou anions, charges positives ou négatives). La migration des électrons (charges électriques négatives) est ce qui provoque le courant électrique. C’est une réserve d’énergie électrochimique.
Lors des phases de décharge (utilisation), les électrons sortent par l’anode et rentrent par la cathode. Mais, contrairement à une pile non rechargeable, un « accu » peut se charger. Sous l’action électrique du chargeur, les électrons entrent alors par l’anode, migrent à travers l’électrolyte et vers la cathode. La pile est prête à servir de nouveau. La charge et décharge forment un cycle et la qualité d’une batterie se mesure au nombre de cycles qu’elle supporte avant de constater une perte de capacité substantielle.
Pourquoi parle-t-on de batterie ? Par abus de langage. La tension électrique (potentiel, en Volts) entre les deux pôles, dépend du potentiel d’oxydo-réduction des éléments chimiques utilisés, et n’est que de quelques volts.
Pour obtenir un potentiel plus important, on place les piles en série emballées dans des « cellules ». Pour obtenir plus d’intensité (en Ampères), on place les piles en parallèle. Ainsi, en mixant mise en parallèle et en série, on crée une batterie d’accumulateurs. D’où le nom de « batterie » utilisé couramment. Sauf que sous le nom de « batterie li-ion », il y a en fait plus d’un type de batterie, en fonction des différents éléments mis en œuvre pour les électrodes et l’électrolyte.
Qu’est-ce que c’est techniquement une « solid-state » ?
Des électrolytes, il y en a beaucoup de différents, et de différents types. Lorsque l’on commence à étudier les piles et les batteries, on débute la plupart du temps avec des électrolytes liquides. C’est aussi le cas avec les anciennes batteries au plomb. Composés de sels fondus dans une solution aqueuse, ces électrolytes sont simples à mettre en œuvre mais peu performants au niveau de la migration des ions. Surtout, elles ne sont pas pratiques quand on réduit leur taille.
Après les accumulateurs plomb-acide, les accumulateurs rechargeables qui ont connu une expansion mondiale sont les nickel-cadmium (NiCd), nickel-métal hydrure (NiMh) ou nickel-zinc (NiZn). Les Ni-Cd se trouvent encore en très grand nombre mais sont remplacés de plus en plus par les Ni-Mh et les fameuses batteries lithium-ion ou Li-ion. Ces deux derniers ne présentent pas d’effet mémoire délétère contrairement aux piles Ni-Cd et ne contiennent pas d’éléments polluants.
Très rapidement, il est apparu que les solutions liquides n’étaient pas idéales pour les batteries lithium. En effet, en cas de percement de la pile, il peut y avoir formation d’hydroxyde de lithium, très corrosif, émanations de matières dangereuses, ainsi qu’une réaction exothermique pouvant amener à des incendies ou des explosions. C’est entre autres pour ces risques que certaines batteries li-ion sont encore interdites en soute dans les avions. Il a fallu très rapidement trouver des alternatives.
Quels sont les avantages d’une batterie à état solide ?
L’alternative la plus répandue est l’utilisation de solvants organiques type carbonates ou le gel polymère (comme dans les piles dites Li Po ou lithium polymère). Ces électrolytes limitent les possibilités de combustion en cas de perçage des piles. Mais, ils présentent des limites de densité. En clair, on ne met pas autant de kWh dans la batterie que l’on voudrait. En conséquence, les batteries restent volumineuses et lourdes et l’autonomie des véhicules électriques à batterie (ou VEB) en pâtit.
Une batterie à état solide, ou solid-state battery en anglais, permet d’aller outre ces limites. Avec un électrolyte solide (céramique, polymère solide, etc.), on augmente la compacité totale de la batterie. En effet, chaque pile peut être plus compacte, et l’espace entre les piles est lui aussi réduit. La batterie prend moins de place pour une même capacité.
En plus, une battery solid-state peut utiliser du lithium métal pour l’anode (l’électrode négative). Ce faisant, on pourrait doubler la densité énergétique. Ainsi, on aurait des batteries plus compactes et deux fois plus légères pour une même densité d’énergie, ou deux fois plus de kWh disponibles pour une même masse de batterie. L’autonomie des BEV (battery electric vehicle en anglais) ou véhicules 100 % électriques doublerait instantanément sans augmenter le poids.
Autre avantage non négligeable, une batterie état solide est plus sûre que ses consœurs lithium-ion. L’électrolyte solide renforce la solidité des batteries et elles sont de fait moins inflammables. Les batteries état solide supportent également une plus forte charge rapide. Cela diminue le temps de charge et fait progresser le véhicule électrique en tant que véhicule principal, même pour les longs trajets.
Pourquoi ne sont-elles pas généralisées ?
En revanche, ces batteries coûtent, pour le moment, plus cher à produire qu’une batterie li ion à électrolyte liquide, gel polymère ou carbonate. Cela baissera sans doute dans un futur proche avec de nouveaux procédés de fabrication et les volumes de production qui augmenteront, mais c’est un frein pour l’instant.
Autre frein à leur généralisation, elles ont tendance à être plus sensible au phénomène de dendrites. Ce phénomène apparaît quand on charge la batterie sous une trop forte puissance. Au lieu de faire migrer les ions lithium dans l’électrolyte, une couche métallique de lithium se dépose et crée une forme de radicelle partant de l’anode.
Cela fait diminuer la capacité de la pile, mais peut surtout provoquer un court-circuit. Dans le meilleur des cas, la pile est inutilisable et tout un bloc de piles peut en pâtir diminuant fortement la capacité globale de la batterie et réduisant la vie de la batterie. Dans le pire des cas, c’est la surchauffe de la batterie puis l’incendie. De fait, le nombre de cycles de charge est encore trop faible pour une utilisation grand public.
Aussi, les industriels privilégient pour le moment le coût des batteries actuelles à la densité et la sûreté. Mais cela pourrait bientôt changer…
Quel est le futur de la batterie à électrolyte solide ?
Des batteries à état solide, on en fabrique en France. En effet, les batteries « Lithium métal Polymère » ou LMP de Bolloré Blue Solutions sont des batteries à état solide. Ces batteries « tout solide », on les retrouve dans les anciennes Autolib’ et tous leurs dérivés dans le monde, mais aussi dans les bus électriques assemblés à Ergué-Gaberic en Bretagne.
Toyota a récemment annoncé un partenariat avec Panasonic (fabricant des batteries des Tesla) pour la création d’une co-entreprise (joint-venture en anglais). Cette co-entreprise se penchera sur l’industrialisation de batteries à état-solide dans un avenir proche. Les Jeux Olympiques de Tokyo de 2020, serviront de vitrine mondiale pour présenter la technologie Toyota. Non seulement les accumulateurs ronds dits « 18650 » que l’on trouve dans les batteries des voitures électriques sont concernés, mais également les batteries dites « prismatiques » ou plates que l’on trouve dans les appareils électroniques du quotidien comme les téléphones ou les ordinateurs portables. Un smartphone qui tient une semaine sur une seule charge, c’est pour demain.
Outre les batteries à état solide, les industriels poursuivent d’autres pistes d’améliorations comme l’utilisation du sodium à la place du lithium. Le but est toujours le même, avoir des piles haute densité et réduire les temps pour charger la batterie. L’essor de la voiture électrique passe forcément par là.
Crédits images : recharge-electrique.com & Toyota