Le monde a besoin de plus d'énergie, de préférence sous une forme propre et renouvelable. Nos stratégies de stockage de l'énergie sont actuellement façonnées par les batteries lithium-ion, mais à quoi pouvons-nous nous attendre dans les années à venir ?

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Commençons par quelques notions de base sur les batteries. Une batterie est composée d'une ou plusieurs cellules, dont chacune possède une électrodeélectrode positive (la cathodecathode), une électrode négative (l'anodeanode), un séparateur et un électrolyte. L'utilisation de différents produits chimiques et matériaux pour ces éléments influe sur les propriétés de la batterie : la quantité d'énergieénergie qu'elle peut stocker et produire, la puissance qu'elle peut fournir ou le nombre de fois où elle peut être déchargée et rechargée (également appelé capacité de cyclage).

Les fabricants de batteries expérimentent constamment pour trouver des produits chimiques moins chers, plus denses, plus légers et plus puissants. Toutefois, seule l'une d'elles semble capable d'alimenter nos appareils dans un futur proche : la batterie solidesolide.

La batterie solide, prochaine innovation majeure ?

En termes simples, les batteries à l'état solide utilisent un électrolyte solide, par opposition à l'électrolyte liquideliquide ou au gel polymèrepolymère que l'on trouve dans les batteries lithium-ionbatteries lithium-ion actuelles. Cet électrolyte peut prendre la forme de céramiquecéramique, de verre, de sulfites ou de polymères solides.

Mis à part l'électrolyte solide, les batteries à l'état solide fonctionnent à peu près comme les batteries lithium-ion, en ce sens qu'elles contiennent des électrodes (cathodes et anodes) séparées par un électrolyte qui permet aux ions chargés de le traverser. 

Grâce à l'électrolyte solide dont l'empreinte est plus petite, les batteries à l'état solide promettent une densité énergétique deux à dix fois supérieure à celle des batteries lithium-ion de même taille. Cela signifie des batteries plus puissantes sans espace supplémentaire, ou des blocs de batteries plus compacts sans compromis sur la puissance. Cela signifie des voitures électriques plus puissantes et à plus grande autonomie ou des véhicules électriques plus compacts et plus légers. On s'attend également à ce qu'elles se chargent plus rapidement

Grâce à leur efficacité et à leur densité d'énergie accrues, les batteries solides ne nécessitent pas non plus les composants de refroidissement et de contrôle des batteries lithium-ion, ce qui signifie un encombrement plus faible et un poids réduit. La sécurité est un autre avantage que les batteries solides prétendent offrir. Les réactions exothermiquesexothermiques dans les batteries lithium-ion peuvent les faire chauffer, se dilater et potentiellement se rompre en répandant de l'électrolyte liquide inflammable et dangereux. Dans certains cas, cela a provoqué des explosions mineures comme avec le Samsung Galaxy S7. L'utilisation d'un électrolyte solide permet de contourner ce problème. 

Pour optimiser l'espace et le refroidissement de ses batteries lithium-ion, Tesla utilise une structure en alvéoles. © Electrek 
Pour optimiser l'espace et le refroidissement de ses batteries lithium-ion, Tesla utilise une structure en alvéoles. © Electrek 

Enfin, l'utilisation de l'électrolyte solide signifie que les batteries peuvent supporter davantage de cycles de décharge et de charge que les batteries lithium-ion, car elles n'ont pas à subir la corrosioncorrosion des électrodes causée par les produits chimiques présents dans l'électrolyte liquide ou l'accumulation de couches solides dans l'électrolyte qui détériore la duréedurée de vie des batteries. Les batteries solides peuvent être rechargées jusqu'à sept fois plus souvent, ce qui leur donne une durée de vie potentielle de dix ans, contre quelques années pour les batteries au lithium-ion.

Des défis à relever

Le problème des batteries à l'état solide est qu'elles sont très difficiles à fabriquer à grande échelle. Non seulement elles sont actuellement trop chères pour être commercialisées, mais il reste encore beaucoup de travail à faire pour qu'elles soient prêtes à être utilisées en massemasse et à de grande échelle, notamment dans les véhicules électriques. 

Solid Power, une start-up financée en partie par BMW et Ford, travaille à rendre les batteries solides viables. © Solid Power
Solid Power, une start-up financée en partie par BMW et Ford, travaille à rendre les batteries solides viables. © Solid Power

Pour l'instant, il faut encore trouver la bonne composition atomique et chimique d'un électrolyte solide ayant la bonne conductivitéconductivité ionique pour fournir suffisamment de puissance à un moteur de véhicule électrique. Elles doivent encore faire leurs preuves dans le monde réel, dans un gadget grand public comme un smartphone, sans parler d'une voiture électrique. Il est particulièrement important de bien choisir l'électrolyte solide, car c'est le précurseur de l'utilisation d'anodes en lithium, qui peuvent produire plus d'ions de lithium et donc plus d'énergie. On pense qu'une électrode à l'état solide est la solution au problème des structures en forme d'aiguille endommagées, appelées dendritesdendrites, qui se forment sur l'anode lorsqu'elle se charge.