Voiture électrique et batteries solides : la recherche avance

Des scientifiques de l’Institut Fraunhofer en Allemagne ont sélectionné la composition chimique idéale de l’électrolyte des batteries solides. Cette avancée dans la recherche ouvre la porte à leur industrialisation prochaine et à de gros progrès dans le domaine de la voiture électrique.

Pour beaucoup d’experts, la batterie dite « solide » constitue pour l’instant le plus grand espoir d’équiper à moyen terme nos voitures électriques de batteries moins chères, plus légères, plus sûres et d’une durée de vie plus longue. Leur particularité est d’utiliser un électrolyte solide en céramique au lieu des électrolytes liquides et inflammables employés dans les cellules lithium-ion actuelles.

L’électrolyte solide permet d’espérer des gains en densité d’énergie et de diminuer la dépendance en matières critiques telles que le cobalt.
Les batteries lithium-ion conventionnelles étant limitées en température à 60°C, un autre enjeu de la batterie tout solide est de repousser cette restriction afin de simplifier le système de refroidissement, qui fait partie des contraintes pour l’accélération de la vitesse de recharge.

L’intérêt de ces batteries solides est de pouvoir utiliser une anode très performante en lithium métal, ce qui n’est pas possible avec les électrolytes liquides actuels. Ceux-ci réagissent violemment avec le lithium métal et provoquent des dommages fatals.

Si cette technologie qu’on annonce depuis un certain temps déjà, n’est pas encore arrivée sur le marché, c’est que les chercheurs doivent encore résoudre un problème de taille : la faible conductivité ionique des matériaux envisagés pour la constitution de l’électrolyte en céramique. Or, pour permettre une charge rapide, il est essentiel que les ions lithium puissent traverser rapidement l’électrolyte. Dans le monde entier, des laboratoires travaillent donc à l’élaboration de nouveaux composés destinés à la fois aux électrodes et à l’électrolyte des futures batteries solides.

Des scientifiques de l’Institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux (IWM) basé à Fribourg en Allemagne, ont étudié les propriétés de céramiques constituées de sodium, de zirconium et de phosphore en proportions différentes. Ces céramiques appelées NZP sont dotées d’une conductivité ionique élevée car leur structure engendre des « chemins de migration » le long desquels les ions lithium peuvent se mouvoir facilement (illustrés par les bandelettes jaunes sur l’image ci-dessous).

En vue de sélectionner les composants chimiques idéaux pour l’électrolyte solide, les chercheurs n’ont pas seulement tenu compte de leur performance dans la batterie mais aussi de leur absence de toxicité et de leur abondance relative dans l’écorce terrestre.

Selon les scientifiques de l’Institut Fraunhofer, leur recherche a pu établir une composition chimique de l’électrolyte des batteries qui permettra de fabriquer des cellules plus sûres et plus performantes avec un moindre impact environnemental. « Les éléments chimiques qui composent les matériaux de l’électrolyte que nous avons étudié sont abondamment disponibles dans la croûte terrestre en Europe. Nous éviterons ainsi le besoin d’utiliser des métaux rares et coûteux ou en provenance de pays lointains » précise Daniel Mutter qui a dirigé l’équipe de chercheurs

Le résultat de leur étude a été publié dans le Journal of Applied Physics.

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