Vers une batterie lithium-ion solide ?

29 septembre 2020
batterie lithium-ion

Le principe fait encore débat. Certains parlent de solution miracle, d’autres d’une véritable rupture technologique par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Ces batteries du futur séduisent déjà les acteurs de l’aéronautique, de la mobilité électrique ou encore du stockage stationnaire.

Qualifiée de plus sûre et dotée d’une meilleure densité, la batterie lithium-ion à électrolyte solide et électrode négative en lithium métallique a, sur le papier, tout pour séduire ! Cette batterie électrique tout-solide est encore au stade de recherche, mais des solutions intermédiaires sont envisagées. Une commercialisation pourrait être prévue entre 2025 et 2030. Le coût, l’application ainsi que l’échelle de fabrication reste encore à déterminer.

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Batterie lithium-ion solide : une meilleure densité énergétique et plus de sécurité

L’avantage principal de la batterie lithium-ion est l’amélioration de la sécurité. En effet, le risque d’explosion et d’incendie des batteries lithium-ion est assez élevé, et résulte d’emballements thermiques au sein de l’électrolyte liquide, inflammable. En le remplaçant par une couche solide, les risques sont réduits. 

Autre avantage : l’amélioration de la densité énergétique. En utilisant un électrolyte solide, on constate une augmentation d’environ 35% de la densité énergétique. Ce type de batterie serait en mesure de dépasser les 400 Wh/kg au niveau de la cellule contre 260 Wh/kg en moyenne actuellement ! Pour être précis, cette augmentation de la densité n’est pas due à l’électrolyte en lui-même, mais à l’électrode négative en lithium métallique. Lors des cycles de charge-décharge, lorsqu’une électrode de lithium métallique est plongée dans un électrolyte liquide, des excroissances se forment et peuvent perforer le séparateur, ce qui peut être à l’origine des courts-circuits. Ce phénomène est impossible avec un électrolyte solide, car il constitue une barrière physique.

L’autre modification apportée concerne l’électrode négative. En effet dans les batteries lithium-ion actuelles, le graphite utilisé ne sert qu’a constituer une structure d’accueil pour les ions lithium qui stockent les électrons. L’objectif est de remplacer le graphite par du lithium pur, permettant de stocker 10 fois plus d’électrons. De quoi augmenter la densité énergétique et la puissance de la batterie.

Le chemin est encore long avant une commercialisation de ces batteries lithium-ion solides et il faudra s’attendre à une mise sur le marché progressive, par étapes intermédiaires. La première phase pourrait consister à produire une batterie dans laquelle l’électrolyte serait solide, mais l’électrode négative pas forcément en lithium métallique. Cette première version permettrait déjà de bénéficier d’avantages en termes de sécurité et de densité énergétique.

Pour que ce projet de batteries puisse voir le jour, il faut avant tout trouver des matériaux solides conducteurs à basse température, pour faire office d’électrolyte. Les solutions à explorer sont nombreuses, bien qu’aucune ne sorte vraiment du lot !

Les freins technologiques restent nombreux à l’élaboration de ces batteries lithium-ion solides. Premièrement, la conductivité de l’électrolyte, qui doit être suffisante pour assurer le bon passage des ions lithium entre l’électrode négative et positive.

Deuxièmement, il faudra trouver une bonne stabilité des interfaces, pour éviter la dégradation des électrodes, mais également pour assurer la cohésion entre deux solides, plus difficile à assurer qu’entre un liquide et un solide.

La dernière difficulté concerne les méthodes de fabrication. Celles-ci seront différentes des méthodes utilisées à la fabrication de batteries lithium-ion classiques, la chaîne de production devra donc être repensée.