Batteries à l'état solide et nouvelle technologie de la NASA : L'époque du lithium-ion inflammable est-elle bientôt révolue ?

Depuis des décennies, les batteries lithium-ion constituent l'étalon-or du stockage de l'énergie. Elles alimentent nos smartphones, nos ordinateurs portables et, de plus en plus, nos voitures. Cependant, les batteries lithium-ion se dégradent rapidement et sont inflammables. Qu'en est-il des batteries à l'état solide ?

La densité énergétique des batteries lithium-ion - c'est-à-dire la quantité d'énergie qu'elles peuvent stocker par rapport à leur taille/poids - laisse beaucoup à désirer, écrit la société spatiale polonaise TS2.Space sur son site web.

La réponse pourrait être, à l'avenir, les batteries à l'état solide : elles sont plus sûres, plus légères, plus puissantes et plus durables.

Cela semble trop beau pour être vrai ? Eh bien, oui - même s'il nous reste encore quelques années avant une percée commerciale, certains pensent que les batteries sont déjà presque prêtes pour une application technique dans les domaines du transport où le feu est un problème particulier, comme dans l'aviation.

Qu'est-ce qu'une batterie à semi-conducteurs ? Selon Wikipedia, une batterie à l' état solide déploie une technologie à l'état solide utilisant des électrodes solides et un électrolyte solide, au lieu des électrolytes liquides ou des gels polymères utilisés dans les batteries lithium-ion ou lithium-polymère.

Bien que les électrolytes solides aient été découverts pour la première fois au 19e siècle, plusieurs inconvénients ont empêché une application généralisée. Les progrès réalisés à la fin du XXe siècle et au début du XXIe siècle ont suscité un regain d'intérêt pour les technologies des batteries à électrolyte solide, en particulier dans le contexte des véhicules électriques, à partir des années 2010.

Les batteries à l'état solide peuvent apporter des solutions potentielles à de nombreux problèmes liés aux batteries Li-ion liquides, tels que l'inflammabilité, la tension limitée, la formation instable d'une interphase solide-électrolyte, les mauvaises performances en matière de cyclage et de résistance.

Les batteries à l'état solide peuvent-elles remplacer les batteries inflammables et vieillissantes de nos véhicules électriques ?

Dans leur article intitulé "The Rise of Solid-State Batteries : Outpacing Traditional Lithium-ion Powerhouses", la société décrit les"batteries à l'état solide" comme un nouveau concurrent potentiel du lithium-ion, une fois que la technologie sera commercialement viable :

"Tout d'abord, les batteries à semi-conducteurs ont une densité énergétique beaucoup plus élevée que les batteries lithium-ion. Cela signifie qu'elles peuvent stocker plus d'énergie dans le même espace, ou la même quantité d'énergie dans un espace plus petit. Pour les véhicules électriques, cela pourrait se traduire par une plus grande autonomie et des batteries plus petites et plus légères. Pour les appareils électroniques portables, cela pourrait se traduire par des appareils plus minces et plus légers, dotés d'une plus grande autonomie...

... Deuxièmement, les batteries à semi-conducteurs sont plus sûres. Les électrolytes liquides des batteries lithium-ion sont inflammables et peuvent faire exploser la batterie en cas de surchauffe. Les électrolytes solides, en revanche, ne sont pas inflammables et peuvent supporter des températures plus élevées. Les batteries à électrolyte solide sont donc moins susceptibles de s'enflammer ou d'exploser.

Encore trop cher pour la plupart des utilisations commerciales... mais peut-être pas toutes

Mais il y a un hic : Les piles à l'état solide ne sont pas encore commercialement viables. Ou, en termes plus simples : Les batteries à l'état solide sont encore trop chères pour la plupart des applications grand public, y compris les véhicules électriques exclusifs.

Toutefois, certaines recherches récentes sont prometteuses :

Le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a récemment mis au point un nouveau type de batterie à l'état solide qui peut fonctionner à température ambiante et qui a une durée de vie de plus de dix ans.

Une équipe de scientifiques de l'université du Michigan a découvert un moyen de rendre les batteries à semi-conducteurs plus durables et moins sujettes à la dégradation. En savoir plus

La NASA développe des batteries à l'état solide pour l'aviation

Dans un article récent, le site web scientifique CleanTechnica.com évoque le développement par la NASA d'une batterie à l'état solide au sulfure de sélénium suffisamment légère et résistante pour alimenter de grands avions.

"La plupart d'entre nous n'ont qu'une vague idée de ce que fait la NASA - l'Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace - depuis la fin des missions lunaires Apollo... Il s'avère que la partie "aéronautique" de sa mission comprend des avancées dans le domaine des avions, et cela signifie trouver des alternatives aux carburants conventionnels qui laisseront moins d'émissions derrière elles pendant le vol", CleanTechnica.com a écrit en juillet 2023.

Selon l'article, la NASA mène depuis des années des recherches sur les vols alimentés par des batteries dans le cadre de son programme SABERS ( Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety ) :

"La NASA affirme que son prototype de batterie au sélénium sulfuré a une densité énergétique de 500 wattheures par kilogramme, soit environ le double de celle des batteries lithium-ion conventionnelles.

Le problème est que les avions ont besoin d'énormes quantités d'énergie pour soulever le sol. Et jusqu'à récemment, les batteries lithium-ion étaient capables de décharger leur énergie stockée beaucoup plus rapidement que les batteries à semi-conducteurs.

Les chercheurs du projet SABERS, avec l'aide de leurs partenaires de Georgia Tech, affirment aujourd'hui avoir trouvé un moyen de décharger leurs batteries à semi-conducteurs dix fois plus vite qu'au début de la recherche. Ils sont ensuite parvenus à multiplier par cinq la vitesse de décharge, et ce dans une batterie qui est 40 % plus légère que la même énergie stockée dans une batterie lithium-ion.

Là encore, le problème qui se pose actuellement pour l'entrée de ces batteries sur le marché est celui du coût. Pour la plupart des grandes voitures de tourisme et des véhicules personnels, les coûts constitueront probablement un obstacle pendant plusieurs années. Toutefois, pour les compagnies aériennes, les taxis aériens et d'autres applications où les coûts peuvent être répartis sur des milliers de vols, le seuil économique n'est peut-être pas trop éloigné dans l'avenir.

L'article mentionne deux compagnies de taxis aériens qui envisagent actuellement d'utiliser les nouvelles batteries :

United Airlines utilise des avions à ailes qui ont besoin de moins d'énergie pour rester en l'air une fois qu'ils ont atteint leur altitude de croisière. L'autre, Archer Aviation, utilise des drones agrandis dont les rotors doivent être constamment sollicités pour rester en altitude, ce qui signifie qu'ils consomment beaucoup d'énergie en permanence et que leur autonomie est plus faible.

Crédit photo : (Photo de couverture ci-dessus)

Schéma d'une batterie à l'état solide. Licence Wikipedia Commons, créée par Na9234.

Alors, qu'est-ce que la batterie à l'état solide ?