La révolution des batteries solides

Le secteur des batteries lithium-ion connaît une évolution constante, avec des recherches quotidiennes visant à améliorer la performance, l’autonomie, la puissance et les temps de charge des batteries.
Parmi les technologies récentes, les batteries à état solide (ou batteries Solid-State) présentent des évolutions majeures pour l’avenir de la mobilité électrique.
Ces batteries utilisent une électrolyte solide au lieu de l’électrolyte liquide des batteries lithium-ion traditionnelles.

1. Principe de fonctionnement des batteries LFP Solid-State et LFP

Batteries LiFePo4 / LFP : Elles sont composées de deux électrodes (cathode et anode) séparées par un électrolyte liquide. Le lithium-ion se déplace entre les électrodes lors de la charge et de la décharge.
Batteries LiFePo4 / LFP SolidState : Remplacement de l’électrolyte liquide par un électrolyte solide (en céramique ou par un polymère), et utilisent un anode en lithium métallique pur. Cette conception permet de supprimer la structure en graphite de l’anode, augmentant ainsi la densité énergétique.

la vidéo ci-dessous détaille les principes de fonctionnement d’une batterie au lithium à l’état solide.

2. Avantages des batteries à état solide (Solid State)

Sécurité accrue : L’absence d’électrolyte liquide inflammable rend ces batteries moins sujettes aux risques de courts-circuits et à la formation de dendrites (accumulation de lithium) qui peuvent endommager les batteries lithium-ion.
Très faible résistance interne : L’électrode solide, par sa conception, engendre une résistance interne 2 à 3 fois inférieure à une batterie lithium conventionnelle. Cela engendre un échauffement bien moins important des cellules de batterie en utilisation. Les bénéfices sont directs : des batteries qui chauffent peu en utilisation se dégradent beaucoup moins vite à l’usage.
A titre d’exemple, nos tests effectués en laboratoire montrent qu’à une décharge à 3C (20 minutes pour décharger totalement la batterie LFP Solid State), l’échauffement des cellules n’est que de 23°C, ce qui représente 1/3 de l’échauffement constaté sur une batterie LFP standard.
Cette résistance à l’échauffement permet d’envisager des batteries de puissance sans nécessité de refroidissement interne des cellules.
Charge ultra-rapide : Les batteries solides peuvent se charger jusqu’à quatre fois plus vite que les batteries lithium-ion classiques. De plus, elles sont plus résistantes à la chaleur, ce qui améliore leur performance lors de la charge rapide.
Durée de vie plus longue : Les cellules lithium à l’état solide ont tendance à avoir une durée de vie plus longue en raison de la dégradation chimique réduite des électrolytes solides par rapport aux électrolytes liquides. Plus précisément, la faible augmentation de la température pendant l’utilisation signifie que les cellules peuvent être maintenues à des températures compatibles avec une dégradation faible.
Par conséquent, elles peuvent supporter davantage de cycles de charge-décharge avant que leur capacité ne se dégrade de manière significative.
Densité énergétique plus élevée : A l’avenir, le lithium métallique de l’anode permettra une densité énergétique supérieure à celle des batteries lithium-ion actuelles, offrant ainsi une batterie plus légère et plus compacte avec une plus grande autonomie.

3. Batteries Semi-Solides, roadmap et perspectives

Les batteries Solid-State sont très prometteuses, notamment en termes de sécurité, de performance et de durabilité.

Mais pour parvenir à une production de grande échelle et à coûts maîtrisés, il faudra attendre encore quelques années.
Les enjeux technologiques sont tels qu’un certain nombre d’étapes restent à franchir, notamment en ce qui concerne la durabilité et la résistance physique des électrolytes métalliques ou céramiques.

En attendant que les électrolytes solides détrônent les liquides, la recherche se concentre sur une technologie intermédiaire : les batteries semi-solides, avec des électrolytes polymérisés.

Les électrolytes polymérisés (également appelés électrolytes gélifiés) contiennent des conducteurs ioniques tels que les sels de lithium, qui permettent une conductivité interne beaucoup plus efficace. La structure polymère résiste également à la formation de dendrites : des structures en forme d’aiguilles qui peuvent se former sur l’anode pendant la charge et provoquer des courts-circuits.
En outre, les gels/polymères sont très peu volatils en comparaison des électrolytes liquides, et donc très difficiles à enflammer.

Bien que les batteries semi-solides n’atteignent pas encore les densités d’énergie attendues des batteries solides, elles offrent un avantage à moyen terme en ce sens qu’elles peuvent être fabriquées sur des lignes de production de batteries lithium-ion conventionnelles. De plus, elles ont été testées et sont désormais disponibles sur le marché. D’un autre côté, les cellules solides ne seront disponibles sur le marché qu’à partir de 2027-2028.

La densité énergétique des cellules semi-solides est actuellement similaire ou légèrement supérieure à celle des cellules LFP standard, mais tous les autres avantages des cellules à l’état solide sont déjà présents. Nous pouvons nous attendre à ce que cette technologie de batterie au lithium prenne de l’ampleur, avec une évolution majeure vers une densité énergétique toujours plus élevée dans les années à venir.

Le futur est déjà là : Le nouveau produit PowerModule « SOLID STATE » équipé de cellules Solid-State semi-solides est déjà opérationnel et disponible :