Batteries solides : la vraie raison de leur retard enfin élucidée

Toutes les batteries lithium-ion embarquées dans les véhicules électriques, qu'elles soient de chimie NMC ou LFP, partagent le même talon d'Achille. Dès la première recharge, des structures microscopiques appelées dendrites se forment à la surface de l'anode. Ces micro-aiguilles de lithium, cent fois plus fines qu'un cheveu humain, « poussent » inexorablement à chaque nouveau cycle. En se développant, elles s'enrobent spontanément d'une fine couche chimique baptisée SEI (pour solid electrolyte interphase) qui les rend rigides et acérées.

Or, pendant des décennies, les chercheurs ont supposé que ces dendrites restaient souples. Mais une collaboration internationale réunissant le NJIT, l'Université Rice, l'Université de Houston, le Georgia Tech et la Nanyang Technological University de Singapour vient d'apporter la preuve contraire. Leurs travaux démontrent en effet que les dendrites se comportent non pas comme de la pâte à modeler, mais comme des spaghettis secs : elles cassent net sous la contrainte. Leur résistance mécanique mesurée atteint 150 mégapascals, soit 250 fois celle du lithium pur (0,6 MPa). Et ceci change fondamentalement la compréhension du problème.

Le prix à payer

Les conséquences pour les propriétaires de véhicule électrique sont évidentes. Chaque dendrite qui se brise laisse derrière elle un fragment de lithium électriquement isolé, ce que les chercheurs appellent le « lithium mort ». Ces débris s'accumulent cycle après cycle et ne participent plus aux réactions électrochimiques. De ce fait, la capacité de la batterie diminue progressivement, l'autonomie se réduit, et le State of Health (SOH) entame son inéluctable descente.

La plupart des constructeurs garantissent pour leur batterie un SOH minimal de 70% sur 8 ans ou 160.000 km. En dessous de ce seuil, l’utilisateur est souvent bon pour un remplacement ou alors une difficile négociation à la revente.

Les électrolytes solides aussi

Les batteries à électrolyte solide sont présentées depuis des années comme la prochaine révolution du véhicule électrique. Et de par leur conception, elles étaient précisément censées résoudre le problème des dendrites. Le raisonnement semblait imparable : remplacer l'électrolyte liquide par un matériau dur bloquerait mécaniquement leur progression. Toyota vise une commercialisation dès 2027 tandis que QuantumScape développe sa technologie en partenariat avec Volkswagen et que Solid Power collabore avec BMW et Ford. Et pourtant, tous repoussent leurs échéances d'année en année...

La bonne nouvelle, c’est que cette étude apporte enfin une explication à ces retards répétés. Car on comprend aujourd’hui que les dendrites rigides n'ont aucun mal à traverser un électrolyte solide. Toute la stratégie de blocage mécanique des dendrites reposait donc sur une propriété qu'elles n'ont pas. Un mauvais postulat de départ qui explique à lui en partie (car ce n’est pas le seul frein des batteries solides) des années d'impasse. Surprenant !

Cette compréhension est bienvenue. Car elle ouvre en réalité trois pistes de recherche concrètes. La première explore les anodes en alliage de lithium, moins propices à la formation d'une couche SEI rigide en surface. La deuxième travaille sur des séparateurs suffisamment résistants pour que les dendrites ne puissent plus les percer. Enfin, la troisième mise sur des additifs d'électrolyte agissant sur la structure cristalline des dendrites dès leur formation. On l’aura compris : cette étude scientifique va ouvrir la voie à de nouvelles recherches et à de nouvelles solutions pour que les batteries solides tiennent enfin leurs promesses.

À la recherche d'une voiture ? Cherchez, trouvez et achetez le meilleur modèle sur Gocar.be