Les batteries à semi-conducteurs offriront-elles une autonomie semblable à celle du gaz et une charge plus rapide des véhicules électriques?

Michael Faraday a découvert les électrolytes solides dans les années 1830, et la batterie à semi-conducteurs a promis d’être la prochaine grande chose électrique presque depuis lors.

L’idée fait souvent des nouvelles auxquelles je résiste car, pour emprunter une métaphore du baseball, ces « frappeurs » de batterie commencent trop souvent leur trot de home run avant de réaliser que c’est juste une balle volante vers la piste d’avertissement. Mais le scientifique renommé Paul Albertus dit que QuantumScape, une start-up de batteries de l’université de Stanford, âgée de 10 ans, semble avoir atteint un «coup de circuit en termes de données de performances de batteries à semi-conducteurs».

Voici l’accord avec l’état solide: ces batteries ont depuis longtemps promis de résoudre les problèmes les plus épineux empêchant l’adoption généralisée des véhicules électriques à batterie tout en offrant de meilleures performances sur de nombreux paramètres.

Les électrolytes liquides ou en gel des batteries d’aujourd’hui sont inflammables et peuvent geler, ils nécessitent donc des systèmes coûteux et lourds de réchauffement, de refroidissement et de surveillance de la sécurité. Les matériaux d’anode à base de graphite conçus pour capturer les ions lithium pendant la charge sont volumineux et lourds, et les réactions secondaires au sein de ce matériau compromettent les performances au fil du temps. Chargez une batterie lithium-ion trop rapidement pendant trop longtemps, et des pointes de lithium métal (dendrites) peuvent se former sur l’anode et percer le «séparateur» perméable à travers lequel les ions circulent, court-circuitant la cellule. L’état solide supprime l’électrolyte liquide, supprimant le risque d’incendie.

Alors pourquoi l’état solide n’est-il pas arrivé? Toutes les approches jusqu’à présent ont exigé des températures élevées pour fonctionner ou (plus fréquemment) n’ont pas survécu aux 800 cycles requis tout en conservant une capacité de 80%, ou elles ont nécessité du lithium métallique coûteux et délicat sur l’anode, ce qui tue le coût, rend les batteries sont lourdes et ne contribuent pas au stockage d’énergie. Donc, beaucoup à surmonter.

QuantumScape a demandé l’avis d’Albertus parce que l’ancien chef du programme de batteries à semi-conducteurs ARPA-E du ministère de l’Énergie est maintenant un sceptique professionnel sur le sujet.

QuantumScape a impressionné Albertus en rapportant les résultats de performance de plusieurs échantillons qui étaient de taille commerciale comme une carte à jouer, et non de minuscules spécimens uniques. Ils ont également fourni des données de cycles de charge / décharge à partir de cellules complètes, et non de couches individuelles, et les ont testées à une densité de courant significative (3 milliampères / centimètre carré).

Les cellules de test fonctionnaient également sous une légère pression (3 atmosphères contre les 20 nécessaires pour que la conception à semi-conducteurs de Samsung fonctionne) et à 30 degrés C (elles fonctionnent jusqu’à -25 et jusqu’à 80, tandis que les rivaux ne fonctionnent qu’à des températures élevées) . Mieux encore, les batteries de QuantumScape semblent démontrer une capacité de 10 à 15% seulement après 800 cycles (240 000 miles), ce qui multiplie par quatre les performances de leurs rivaux.

De plus, la conception de QuantumScape élimine complètement l’anode, réduisant la taille et la masse pour atteindre jusqu’à 400 Wh / kg et plus de 1000 Wh / litre. En utilisant une cathode conventionnelle au lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC811) et un séparateur en céramique flexible de chimie non divulguée, les ions lithium de la cathode forment un film métallique directement sur le collecteur de courant lors de la charge. Cela provoque l’expansion de la cellule, donc la batterie doit le permettre.

Le lithium se forme sur le collecteur de courant plus rapidement que sur une anode à base de graphite, et le séparateur en céramique résiste à la formation de dendrite, ce qui rend les taux de charge plus élevés sûrs. Une charge à 80% de sa capacité en 15 minutes est facilement réalisable, car le séparateur en céramique peut tolérer des densités de courant élevées. Prêt pour les plus grandes nouvelles? Une charge complète en deux minutes semble réalisable car il a été démontré que le séparateur tolère des densités de courant encore plus extrêmes que certaines des batteries lithium-ion les plus rapides d’aujourd’hui. C’est plus rapide que de pomper de l’essence, pour jouer à la maison.

Des nouvelles plus prometteuses: ce séparateur en céramique peut être produit à l’aide de la technologie de revêtement rouleau à rouleau existante, et l’élimination de l’anode au lithium métallique requise dans certains concepts à semi-conducteurs les rend plus faciles et moins chères à fabriquer.

La meilleure indication de la viabilité de QuantumScape est peut-être le fait que VW a investi 300 millions de dollars sur les 1,5 milliard de dollars de capital engagé que la société a levé. Lors de l’appel pour dévoiler la technologie, Jürgen Leohold, membre du conseil d’administration de QS et ancien responsable de la recherche chez VW, a déclaré que les batteries entreraient en production en 2024-2025 sur des produits haut de gamme. Nous supposons que l’Audi E-Tron GT, la Porsche Taycan et un EV 2025 promis de Bentley sont les meilleurs candidats, avec des coûts qui baissent à mesure que la fabrication de batteries à semi-conducteurs mûrit.

Pour récapituler: il y a cinq ans, QuantumScape a discrètement frappé un solide en identifiant son séparateur en céramique et sa conception sans anode qui permet une augmentation de 80% de l’autonomie pour une batterie de taille donnée. Au cours des années qui ont suivi, il s’est branché pour une charge rapide parfaite, une longue durée de vie et un fonctionnement sur une large plage de température tout en se concentrant sur la fabricabilité. Que vous considériez cela comme un grand chelem imposant de Babe Ruth ou un double chargé de bases à l’écart, cette batterie pourrait marquer un point de basculement.

Qu’est-ce qu’une batterie à semi-conducteurs? Techniquement, c’est une batterie qui n’utilise pas d’électrolyte liquide. Vous pouvez également les voir sous le nom de batteries à semi-conducteurs, ou ASSB, pour les différencier des batteries à électrolyte quasi-solide avec des séparateurs qui impliquent du gel ou du liquide. Les matériaux qui ont été proposés pour être utilisés comme électrolytes solides dans les ASSB comprennent les céramiques (une définition large pour les oxydes, les sulfures, les phosphates) et les polymères solides.

Quelles entreprises développent des batteries à semi-conducteurs? Des titres récents ont été faits par QuantumScape et l’entreprise Toyota / Panasonic. Solid Power est une spin-off de l’Université du Colorado à Boulder qui a travaillé avec Ford et BMW sur un ASSB de chimie fer-soufre. Sakti3 est issu de la recherche de l’Université du Michigan et a été acheté par Dyson, mais a par la suite abandonné les licences de brevets. Son fondateur, cependant, a travaillé sur des batteries à semi-conducteurs pour Fisker. Samsung a également fait l’actualité assez récemment, avec une batterie à semi-conducteurs utilisant une anode en argent-carbone.

Tesla utilise-t-il des batteries à semi-conducteurs? Pas encore. Et nous avons entendu peu de détails sur la technologie de batterie 400 Wh / kg évoquée dans les trois à quatre ans lors de son annonce du jour de la batterie en septembre 2020. Il a fait allusion à la technologie des nanofils de silicium, mais ce n’est pas une solution à semi-conducteurs.

QuantumScape est-il coté en bourse? Oui, la Bourse de New York a accueilli le symbole boursier QS le 30 novembre lors d’une introduction en bourse (IPO) suite à une fusion avec la société d’investissement Kensington Capital Acquisition. Les revenus de cette fusion sont rapportés à 680 millions de dollars.