La technologie des batteries à semi-conducteurs expliquée

jeSi vous pourriez posséder un véhicule électrique pouvant parcourir plus de 1000 km avec une seule charge, conserver la quasi-totalité de sa capacité de batterie après trois ans, fonctionner normalement dans une large plage de températures, être rechargé en 10 minutes et coûter le même prix que une voiture à combustion équivalente, voulez-vous ?

C’est la situation qui sera imposée aux consommateurs lorsque la technologie des batteries à semi-conducteurs commencera à être produite en masse au milieu de cette décennie. Toyota espère prendre une longueur d’avance en mettant en service un certain nombre de prototypes de véhicules électriques à batterie à semi-conducteurs avec l’aide de son partenaire Panasonic.

Avec plus de 1000 brevets relatifs à la technologie à semi-conducteurs, Toyota consacre la majeure partie d’un investissement de 18,7 milliards de dollars à son avancement et à sa production à grande échelle. Il n’est pas difficile de comprendre pourquoi. Les avantages des batteries à semi-conducteurs par rapport aux conceptions lithium-ion actuelles sont évidents. Les unités à semi-conducteurs sont plus sûres, ont une densité énergétique plus élevée, réduisent à la fois la taille et le poids et peuvent fonctionner dans une fenêtre de température plus large.

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Les batteries lithium-ion utilisent une solution d’électrolyte liquide qui, si elle n’est pas correctement gérée ou est endommagée, peut gonfler ou s’enflammer spontanément. Ces événements sont rares, mais ils se produisent. Avec certaines batteries lithium-ion, jusqu’à un tiers de la capacité de stockage peut se dégrader au bout d’une décennie.

Dans les deux conceptions de batterie, l’électrolyte est un mélange chimique qui permet au courant de circuler entre la cathode et l’anode (ou plus simplement l’électrode chargée respectivement positivement et négativement). Dans les batteries lithium-ion, ce séparateur est une solution liquide, où une batterie à l’état solide utilise un électrolyte solide.

Les électrolytes liquides sont à l’origine de ces incendies spectaculaires et difficiles à doser lorsque les choses tournent mal. Les alternatives à l’état solide atténuent tous ces problèmes et augmentent considérablement la quantité d’énergie pouvant être stockée dans une batterie. Cela donne aux fabricants deux options; réduisez la taille d’une batterie, économisez de l’espace et du poids sans perte d’énergie, ou conservez les dimensions actuelles avec une augmentation des rendements.

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Le fait qu’une anode solide en lithium métal augmente la densité énergétique est connu depuis près d’un demi-siècle, mais ce n’est que maintenant que nous avons la technologie pour en faire une réalité. En effet, l’utilisation de lithium métal avec un électrolyte liquide risque de créer des formations semblables à des stalagmites qui peuvent percer le séparateur entre l’anode et la cathode, ce qui entraîne une explosion chimique désagréable.

Une variété d’électrolytes à l’état solide sont maintenant disponibles qui fonctionnent comme un séparateur en céramique et ont la même conductivité sans risque d’explosion.

Un prototype de batterie à semi-conducteurs non automobile de Samsung a une densité énergétique de 900 Wh par litre, tandis que les meilleures unités lithium-ion ne sont capables que d’environ 700 Wh par litre. L’entreprise affirme que l’utiliser dans un véhicule électrique permettrait à la voiture de parcourir jusqu’à 800 km avec une seule charge. Avec un cycle de vie de 1000 charges qui porte la durée de vie de la batterie à 800 000 km. Le LandCruiser de votre oncle pourrait avoir du mal à égaler cela.

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Allant encore plus loin, l’entreprise américaine QuantamScape, dont Volkswagen détient une participation de 5%, a publié une étude à la fin de l’année dernière qui a démontré que ses cellules de batterie à semi-conducteurs ont une densité énergétique de plus de 1000Wh/L.

De plus, il a été démontré que les batteries peuvent se charger à 80 % de leur capacité en 15 minutes, tout en conservant plus de 80 % de leur capacité après 800 cycles de charge. Le secret? Métal lithium pur comme anode. Une version de production de la batterie n’est pas attendue avant 2024.

Les affirmations de Toyota sont simples. Deux fois plus d’autonomie qu’une unité lithium-ion équivalente, tout en conservant 90 % de ses performances après 30 ans. Poursuivant ses affirmations audacieuses, Toyota affirme que ses batteries à semi-conducteurs seront capables de se recharger de zéro à pleine en seulement 10 minutes. Toyota affirme que sa batterie à semi-conducteurs ne sera pas produite en série avant 2025.

Comme d’autres dans la course aux armements à semi-conducteurs, c’est parce que si la technologie est presque prête pour une utilisation à grande échelle, la capacité de production n’est pas encore là. Contrairement aux batteries actuelles, les unités à semi-conducteurs nécessitent des machines et des techniques différentes dans le processus de fabrication. De plus, il n’y a tout simplement pas assez de lithium brut produit – dont le monde a une quantité finie (voir l’analyse).

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Toyota a également un avantage financé par le gouvernement. Le gouvernement japonais a créé un trésor de guerre de 2 000 milliards de yens (24,7 milliards de dollars australiens) qu’il utilise pour financer les efforts des fabricants dans la création de nouvelles technologies de décarbonisation. Une grande partie de l’argent ira vers les batteries à semi-conducteurs, en particulier l’acquisition du lithium nécessaire. De plus, deux sociétés minières et pétrolières japonaises, Mitsui Kinzoku et Idemitsu Kosa, construisent des infrastructures pour produire des électrolytes solides.

Tout cela dans le but d’obtenir un avantage sur la Chine et la Corée du Sud dans la course aux armements pour la production de batteries, le marché mondial des technologies de nouvelle génération dépassant les conceptions lithium-ion actuelles, dont la valeur devrait passer de 53,6 millions de dollars par an à 34,6 millions de dollars. milliards en 2035.

Pourquoi l’expansion rapide? Vous, l’acheteur moyen d’une voiture. En 2035, vous serez confronté à ce dilemme qui a déclenché tout cela, et de gros joueurs parient qu’ils savent quelle option vous choisirez.

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Verre voyant

L’Université de Bayreuth travaille avec Tesla Allemagne et Varta Microbattery pour développer des séparateurs de batteries lithium-ion en verre. Le projet baptisé GlasSeLIB (c’est-à-dire séparateurs de verre pour batteries lithium-ion), espère utiliser des électrolytes de verre au lieu de céramique pour augmenter la sécurité et la durée de vie des batteries lithium-ion.

Le dilemme hybride

Toyota a essuyé de nombreuses critiques pour avoir traîné les pieds sur des véhicules électriques à batterie complète – optant plutôt pour les hybrides traditionnels. En réponse, le constructeur affirme que ses 18,1 millions d’hybrides produits à ce jour sont responsables du même impact de réduction du dioxyde de carbone que 5,5 millions de BEV, tout en utilisant les composants de batterie nécessaires pour construire seulement 260 000 BEV. Cela dit, d’ici 2025, Toyota promet d’avoir 15 BEV différents en production.

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Nickelpack

Malgré l’accent mis sur les batteries à semi-conducteurs, Toyota n’a pas complètement abandonné les conceptions lithium-ion ou nickel-hydrure métallique. C’est avec cette dernière que la marque japonaise a récemment annoncé une percée, en créant des «électrodes bipolaires» qui permettent à la batterie de passer d’un groupe de cellules séparées à une seule pile. La nouvelle conception peut contenir 1,4 fois plus de cellules, produisant 1,5 fois plus de puissance que les batteries nickel-hydrure métallique de génération précédente.

Minecraft

Quelle que soit leur conception, les batteries pour VE nécessitent l’utilisation de lithium, dont il n’existe que 80 millions de tonnes de réserves identifiées dans le monde. La Bolivie se trouve au sommet des plus grandes réserves de lithium avec 21 millions de tonnes, devant l’Argentine (17 millions), le Chili (9 millions), les États-Unis (6,8 millions) et l’Australie (6,3 millions).

En 2019, nous étions le plus grand exportateur de lithium au monde, avec 42 000 tonnes expédiées à l’étranger cette année-là, la plupart allant en Chine (qui possède les sixièmes réserves les plus importantes avec 4,5 millions de tonnes). Le deuxième plus gros exportateur était le Chili, qui a débarqué 18 000 tonnes.

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