Batteries solides : comment cette technologie va révolutionner l’autonomie des voitures électriques

Depuis quelques années, nous entendons fréquemment parler des batteries solides, et de la possible révolution qu’elles apporteraient dans le monde des véhicules électriques. En 2022, où en sommes-nous sur le développement de ces cellules révolutionnaires ? Existe-t-il d’ores et déjà des voitures qui profitent de cette technologie ?

Nous allons faire le point dans ce dossier sur ce qu’il y a à savoir à propos des batteries solides, des différences qu’il y a avec les batteries utilisées actuellement, et des perspectives d’évolution à l’avenir. Et si l’avenir des véhicules électriques était bel et bien lié à celui des batteries solides ?

Les batteries solides, quelles différences avec les batteries d’aujourd’hui ?

Dans l’immense majorité des véhicules électriques d’aujourd’hui, des batteries Lithium-Ion sont utilisées. Le principe de fonctionnement est le suivant : la batterie lithium-ion est composée de deux électrodes, une anode (la borne positive) et une cathode (la borne négative) étant chacune dans une solution électrolytique. Un séparateur est situé entre l’anode et la cathode, pour qu’il n’y ait pas de contact entre les deux.

Le principe des batteries solides est fondamentalement différent, avec un électrolyte qui n’est plus liquide, mais — vous l’aurez deviné — solide. L’image ci-dessus fournie par Samsung illustre bien le principe. L’électrolyte solide de la batterie solide (à droite de l’image) joue également un rôle de séparateur, ce qui permet de ne pas avoir à utiliser de composants supplémentaires pour séparer l’anode de la cathode.

Dans une voiture électrique, le pack de batteries est composé de centaines, voire de milliers de cellules, chacune étant composée d’une anode, d’une cathode, d’une solution électrolytique et d’un séparateur. Afin de transmettre de l’énergie au moteur, et ainsi de faire avancer le véhicule, les ions se déplacent de l’anode à la cathode à travers la solution électrolytique, produisant ainsi de l’électricité.

Avec une batterie solide, le fondement sera similaire, à ceci près que le déplacement des ions ne se fera plus à travers un électrolyte liquide, mais au travers d’un composé inorganique solide. Toute cette théorie sur les batteries solides permet d’ores et déjà d’entrevoir les avantages qu’il y aura par rapport à des batteries lithium-ion classiques, et c’est ce que nous allons examiner ci-après.

Les avantages des batteries solides

Les batteries lithium-ion d’aujourd’hui présentent quelques points négatifs qui sont loin d’être négligeables. Parmi les plus importants, on retrouve les aspects de sécurité et plus particulièrement les risques d’incendie. En effet, à cause de l’échauffement de la solution électrolytique lors de la charge et de la décharge des cellules d’une batterie lithium-ion, des incendies peuvent se produire. C’est pourquoi de nombreux mécanismes de sécurité sont implémentés au sein des packs de batterie, mais tout cela prend une précieuse place.

Avec des batteries solides, il n’y a plus besoin de réserver autant d’espace pour des mécanismes de prévention des incendies. La stabilité d’un électrolyte solide étant bien au-dessus de celle d’une solution électrolytique, les gains potentiels en volume qui seront permis grâce aux batteries solides sont porteurs d’espoir dans le monde des véhicules électriques.

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Le défi actuel des véhicules électriques réside dans la possibilité d’atteindre des autonomies comparables à ce que l’on retrouve sur des véhicules thermiques équivalents (même si Elon Musk pense que cela n’est pas nécessaire), et cela semble compromis avec les batteries lithium-ion actuelles. Toutefois, dans un avenir plus ou moins proche, les batteries solides devraient permettre aux véhicules électriques de gagner en autonomie, puisque leur densité énergétique est bien plus élevée.

N’ayant plus de risque d’explosion ou de combustion, les cellules des batteries solides peuvent être assemblées de manière bien plus compacte que celles des batteries lithium-ion, comme le souligne l’illustration précédente. Les batteries solides seraient alors parfaites pour les voitures électriques : dans le même volume et le même poids, il serait possible d’augmenter significativement le nombre de cellules, et ainsi la capacité du pack de batterie.

L’institut de technologie de Samsung a présenté des résultats encourageants en mars 2020, concernant une batterie capable de parcourir 800 km et pouvant être chargée et déchargée 1 000 fois, qui occupe la moitié du volume d’une batterie Lithium-ion aux propriétés équivalentes. Cela serait une véritable révolution et on peut ainsi s’imaginer des citadines électriques à l’autonomie dépassant celle des berlines les plus endurantes.

Les constructeurs qui travaillent dessus

Outre les recherches en laboratoire qui continuent, de nombreux constructeurs se sont déjà positionnés sur les batteries solides, et ont intégré cette technologie au développement de leurs futurs modèles. Nissan a récemment annoncé la mise en route d’une usine destinée à la fabrication de prototypes de batteries solides, dans le but de lancer un véhicule équipé de telles cellules avant la fin de la décennie en cours.

Le groupe nippon est loin d’être le seul à explorer la piste des batteries solides en avance de phase, tant la technologie semble prometteuse. Volkswagen a investi dans la recherche d’applications des batteries solides à sa future gamme de véhicules électriques, comme Ford, BMW ou encore Stellantis. Pour le moment, leurs implications se limitent à une participation financière destinée à de nombreuses startups du secteur, comme QuantumScape, qui promet pouvoir livrer des batteries solides répondant à toutes les attentes des géants du secteur. Ford et BMW souhaitent toutefois tester les batteries solides dès cette année.

Tous les acteurs du marché qui s’intéressent aux batteries solides voient ainsi cela comme la réponse à la majorité des problématiques actuelles des véhicules électriques. La densité énergétique améliorée assurera des capacités de batterie bien plus importantes, et la sécurité sera considérablement meilleure. En outre, les capacités de charge rapide répondront aux besoins futurs, avec une charge de 10 à 80 % demandant moins de 15 minutes, tout en assurant une meilleure longévité des cellules comparé aux standards actuels.

Les batteries semi-solides à la rescousse ?

Si les batteries solides ne semblent pas encore prêtes pour leur production de masse, de nouvelles idées ingénieuses sortent d’ores et déjà des usines de certains constructeurs, comme Volkswagen ou Nio notamment : les batteries semi-solides. Il s’agit là de batteries qui se rapprochent des Lithium-ion de par leur conception (l’électrolyte est toujours liquide), mais qui n’utilisent pas de liant, permettant ainsi de proposer une densité énergétique bien meilleure.

Le constructeur chinois Nio semble avoir pris une longueur d’avance sur les autres acteurs, avec un projet de batterie semi-solide pour équiper son ET7 d’un pack de 150 kWh lui assurant de parcourir plus de 1 000 km en une seule charge. D’après les dernières informations, la production de la Nio ET7 serait prévue pour la fin de l’année 2022, en faisant ainsi le premier véhicule de série embarquant des batteries semi-solides.

Le géant chinois Gotion High Tech quant à lui a récemment annoncé pouvoir installer un pack de 160 kWh dans une voiture d’ici à 2023, ce qui permettrait d’atteindre les 1 000 kilomètres d’autonomie, se rapprochant alors du Graal de la voiture électrique en matière de rayon d’action.

Ce qu’il manque aujourd’hui pour équiper les véhicules

Mis à part la Nio ET7 qui devrait voir le jour prochainement, l’arrivée des batteries solides dans la production de masse de véhicules électriques ne parait toutefois pas pour maintenant. En effet, si de nombreux constructeurs s’intéressent de près à cette technologie, tous s’accordent à dire qu’elle n’est pas prête pour être implémentée aujourd’hui.

Les recherches montrent qu’il y a beaucoup de potentiel pour faire des batteries solides, la prochaine révolution au cœur des véhicules électriques de demain, mais sa mise au point pour en faire un produit économiquement viable reste encore à faire.

Au milieu de l’année 2022, il est encore beaucoup plus cher de produire une batterie solide de capacité équivalente à une batterie Lithium-ion, ce qui explique que les constructeurs ne puissent pas les utiliser à ce jour. Que ce soit pour solidifier l’électrolyte ou pour fabriquer les cellules de batteries solides, les processus d’industrialisation restent encore à être mis au point.

Ainsi, si sur le papier les progrès permis par les batteries solides sont alléchants et permettront de corriger certains points négatifs des véhicules électriques d’aujourd’hui. Ce n’est pas une révolution qui devrait arriver avant la fin de la décennie en cours, tant l’exploitation des batteries lithium-ion reste moins onéreuse et d’ores et déjà très rentable.

Les perspectives pour le futur

Pour enfin se rapprocher de la voiture électrique parfaite cependant, les batteries solides semblent une étape nécessaire. On ne compte plus les annonces de pick-ups électriques notamment, qui bénéficieront énormément des avantages des batteries solides, tant il leur faudra de grosses capacités de batterie.

Entre une autonomie conséquente et des vitesses de recharge qui dépassent aisément celles que l’on connaît aujourd’hui (on parle de plus de 300 kW de puissance maximale pour les batteries solides), le remplacement des batteries lithium-ion pourrait permettre aux derniers réticents au passage à l’électrique d’être convaincus. Même si le conducteur lambda n’a d’ailleurs pas forcément besoin d’une autonomie avoisinant les 1 000 km comme le dit Elon Musk.

En outre, à l’horizon 2030, les études de Nissan affirment que le coût du kilowattheure produit à l’aide des batteries solides sera tellement bas qu’il permettra aux véhicules électriques d’être au même niveau de prix que leur équivalent thermique, ce qui n’est bien entendu toujours pas le cas aujourd’hui.

Le saut technologique tant attendu pourrait cependant arriver avec l’anode lithium-métal dans les batteries solides, prévue pour être mature d’ici à la fin de la décennie en cours. D’après les derniers rapports sur le sujet, on pourrait améliorer la densité énergétique de 40 % avec cette anode dans une batterie solide, par rapport à une anode silicium-graphite, qui est actuellement utilisée dans les prototypes de batteries solides. Il faut toutefois tempérer les espoirs, car les projections sur cette anode lithium-métal ne prévoient pas de disponibilité en masse : comptez uniquement 70 000 véhicules équipés de batterie solide avec anode lithium-métal à l’horizon 2030 dans le meilleur des cas, selon Benchemark Mineral Intelligence.