Qu’est-ce qu’une batterie à électrolyte solide ?

Toujours dans l’espoir d’obtenir la batterie parfaite, celle qui n’imposera aucun compromis au propriétaire d’un véhicule électrique en matière d’autonomie, de vitesse de recharge et d’endurance, les constructeurs d’automobiles, de concert avec leurs fournisseurs, investissent massivement dans la recherche et le développement dans l’espoir de prendre l’avance sur leurs concurrents.

Nous connaissons déjà les batteries au lithium-ion et les LFP. Ces batteries alimentent actuellement les motorisations des modèles électriques commercialisés sur notre marché. Un nouveau genre de batteries est toutefois sur le point de faire surface. Il s’agit de la batterie à électrolyte solide. Mais de quoi s’agit-il ? Comment fonctionnent-elles ? Et quels sont ses avantages et ses inconvénients par rapport aux autres batteries ? Voici quelques explications pour mieux vous éclairer.

La batterie à électrolyte solide est-elle vraiment nouvelle ?

Bien que la technologie semble être très récente, la batterie à électrolyte solide (aussi connue par le terme anglais solid state battery) est en réalité une très vieille invention qui remonte au début du 19^e siècle, époque où plusieurs nouvelles découvertes entouraient les batteries.

En 1830, Michael Faraday avait découvert des électrolytes solides provenant du sulfure d’argent et du fluorure de plomb (II). C’est ce qui a donné naissance aux premières recherches en lien avec les ions à état solide.

Bien que la batterie à électrolyte solide soit demeurée dans l’intérêt des chercheurs, des constructeurs de batteries et, même, des constructeurs d’automobiles pendant plusieurs décennies, la technologie venait habituellement avec plusieurs compromis qui ralentissaient sa commercialisation de masse, comme les coûts de construction, la résistance interne et l’endurance. Soulignons également que, avant la commercialisation à grande échelle des produits électroniques et des véhicules électriques, très peu d’industries manufacturières s’intéressaient à ce genre de batteries.

Ce n’est qu’au début des années 2010, avec l’arrivée des véhicules électriques, ceux de Tesla notamment, que le concept de la batterie à électrolyte solide a connu un regain de popularité auprès de plusieurs acteurs du milieu. Des constructeurs d’automobiles, comme Toyota, Volkswagen, BMW, Mercedes-Benz, Hyundai et Ford se sont sérieusement intéressés à la technologie et ont injecté beaucoup d’argent pour faire avancer la recherche et le développement.

Jusqu’à tout récemment, quelques concepts de batteries à électrolyte solide pour alimenter une voiture ont été mis sur la table, mais aucun constructeur ne l’avait encore mise en marché, malgré des promesses de migrer éventuellement vers cette technologue. Aujourd’hui, en raison de ses coûts de construction élevés, ce genre de batteries voit plutôt son utilité dans de plus petites applications, comme des stimulateurs cardiaques, la radio-identification ou des appareils électroniques qu’on peut porter, comme des montres ou des écouteurs sans fil.

Malgré cela, à l’été 2023, NIO, jeune constructeur chinois de véhicules électriques, est devenu le premier constructeur de l’histoire à incorporer une batterie à électrolyte solide dans ses véhicules.

Comment fonctionne la batterie à électrolyte solide ?

Comme son nom l’indique, la batterie à électrolyte solide se démarque des batteries au lithium-ion ou aux LFP par son électrolyte – l’endroit où voyagent les ions de lithium – qui est composé d’une matière solide plutôt que liquide.

Autrement dit, plutôt qu’un polymère gélatineux soit inséré entre l’anode et la cathode, on priorisera un polymère dit solide, habituellement composé de céramique, comme des oxydes, des sulfides, des phosphates, de l’orthosilicate de lithium et, même, du verre.

Quels sont les avantages et les inconvénients d’une batterie à électrolyte solide

En éliminant entièrement le liquide, la batterie à électrolyte solide est nettement plus stable qu’une batterie au lithium-ion ordinaire en ce sens qu’il y a beaucoup moins de risques de court-circuit pouvant mener à un incendie.

Le fait d’avoir remplacé ce liquide par un composant solide réduit aussi la taille et le poids de la batterie, car l’espace entre la cathode et l’anode est nettement moindre. Cette façon de construire la batterie la rend beaucoup plus efficace dans sa conception, ce qui lui permet de présenter une bien meilleure densité énergétique, c'est-à-dire la capacité d’une batterie de pouvoir stocker de l’énergie en fonction de sa taille et de son poids (mesuré en wattheures/kilo (Wh/kg). À titre de référence, une batterie au lithium-ion a une densité énergétique pouvant atteindre 265 wattheures/kilo, tandis que les plus récents prototypes de batteries à électrolyte solide atteignent 400 wattheures/kilo.

C’est également grâce à cette matière solide, qui permet de faire passer les ions chargés en électricité beaucoup plus rapidement entre l’anode et la cathode, que la batterie à électrolyte prend beaucoup moins de temps à se recharger.

L’autre avantage, c’est l’endurance de cette batterie, soit sa capacité de pouvoir encaisser plusieurs cycles de recharge sans démontrer de signes prématurés de dégradation. Les meilleures batteries au lithium-ion actuellement sur le marché peuvent supporter, en moyenne, entre 2 000 et 3 000 cycles de recharge, tandis que la batterie à électrolyte solide pourrait aller jusqu’à près de 10 000 cycles.

Plus d’autonomie, plus rapide à recharger et beaucoup plus fiable

Pour l’utilisateur, tout cela se traduit par une bien plus grande autonomie électrique, des temps de recharge réduits et une meilleure endurance à long terme. Par exemple, la batterie du NIO ES6 2023 a une capacité de 150 kilowattheures et permet au véhicule de parcourir une distance de plus de 650 kilomètres en fonction des estimations de l’EPA.

Toutefois, cette batterie comporte quelques désavantages qui freinent sa commercialisation de masse. D’abord, il y a les coûts très élevés de sa construction en raison des matériaux requis pour la construire, mais aussi des procédés actuels de construction, très complexes et coûteux.

Ce genre de batteries, bien que capable de stocker plus d’énergie en fonction de sa taille, n’a pas la même puissance utile qu’une batterie au lithium-ion. Elle ne peut donc pas alimenter un moteur électrique avec le même degré de puissance. De plus, sa très grande résistance interne, causée par les matériaux utilisés, créer des maux de tête aux chercheurs, car elle peut soudainement ralentir le transfert d’énergie, ce qui peut avoir un effet négatif sur l’efficacité énergétique de la batterie.

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