Depuis leur commercialisation en 1991, les batteries lithium-ion ont connu un succès mondial. Cependant, cela ne peut cacher leurs limites intrinsèques en termes de sécurité, de performance, de facteur de forme et de coûts.

La plupart des technologies lithium-ion actuelles utilisent un électrolyte liquide, avec des sels de lithium tels que LiPF6, LiBF4 ou LiClO4 dans un solvant organique. Cependant, l’interface d’électrolyte solide, qui est causée par la décomposition de l’électrolyte au niveau de l’électrode négative, limite la conductance effective. De plus, l’électrolyte liquide a besoin de membranes coûteuses pour séparer la cathode et l’anode, ainsi que d’une enveloppe imperméable pour éviter les fuites. Par conséquent, la taille et la liberté de conception de ces batteries sont limitées. De plus, les électrolytes liquides ont des problèmes de sécurité et de santé car ils utilisent des liquides inflammables et corrosifs. La porte d’incendie de Samsung a particulièrement mis en évidence les risques encourus même par les grandes entreprises lors de l’utilisation d’électrolytes liquides inflammables.

Les batteries lithium-ion haut de gamme actuelles peuvent atteindre une densité d’énergie de plus de 700 Wh /L au niveau des cellules, avec une autonomie maximale d’environ 500 Km pour les véhicules électriques. Les matériaux à cathode à haute teneur en nickel améliorés peuvent encore pousser la densité d’énergie mais les caractéristiques des matériaux actifs peuvent tirer un seuil.

Les batteries à semi-conducteurs Peuvent changer la donne

L’électrolyte à semi-conducteurs permet l’intégration de matériaux mieux performants tels que le lithium métal et les matériaux à cathode haute tension. Cependant, il a été observé que les batteries à semi-conducteurs de première génération peuvent contenir des types similaires de matériaux d’électrodes actives, l’électrolyte liquide étant remplacé par un électrolyte à semi-conducteurs. Dans ce cas, les batteries à semi-conducteurs n’ont aucun avantage évident par rapport aux batteries lithium-ion à base de liquide en termes de densité d’énergie.

Cependant, les batteries à semi-conducteurs fournissent toujours des valeurs dans ce cas. Comme les électrodes et l’électrolyte sont à l’état solide, l’électrolyte solide se comporte également comme le séparateur, permettant une réduction de volume et de poids due à l’élimination de certains composants (par exemple séparateur et boîtier). Ils permettent une disposition plus compacte des cellules dans la batterie. Par exemple, la disposition bipolaire permet une tension et une capacité plus élevées au niveau de la cellule. La connexion simplifiée offre un espace supplémentaire dans la batterie pour plus de cellules.

En outre, l’élimination des électrolytes liquides inflammables peut être une piste pour des batteries plus sûres et durables car elles sont plus résistantes aux changements de température et aux dommages physiques survenus pendant l’utilisation. Les batteries à semi-conducteurs peuvent gérer plus de cycles de charge / décharge avant la dégradation, promettant une durée de vie plus longue. Une meilleure sécurité signifie moins d’électronique de surveillance de la sécurité dans les modules / packs de batteries.

Par conséquent, même les premières générations de batteries à semi-conducteurs peuvent avoir une densité d’énergie similaire, voire inférieure à celle des batteries lithium-ion conventionnelles, l’énergie disponible dans le bloc-batterie peut être comparable ou même supérieure à celle-ci.

Avec la fenêtre électrochimique plus grande que les électrolytes solides peuvent fournir, des matériaux cathodiques à haute tension peuvent être utilisés. De plus, l’anode métallique au lithium à haute densité d’énergie peut pousser davantage la densité d’énergie au-delà de 1 000 Wh / L. Ces caractéristiques peuvent en outre faire de la batterie à semi-conducteurs un changeur de jeu.

Les technologies concurrentes Rendent la décision difficile

L’investissement dans diverses sociétés de batteries à semi-conducteurs reflète l’énorme potentiel des batteries à semi-conducteurs. Cependant, la batterie à semi-conducteurs n’est pas basée sur une seule technologie. Au lieu de cela, il existe plusieurs approches technologiques disponibles dans l’industrie. Les électrolytes à l’état solide peuvent être grossièrement segmentés en trois catégories: les types organiques, les types inorganiques et les composites. Dans la catégorie inorganique, les types LISICON, argyrodites, grenat, NASICON, Pérovskite, LiPON, Hydrure de Li et halogénure de Li sont considérés comme 8 types populaires. Les argyrodites de type LISICON appartiennent au système sulfuré, tandis que le grenat, le NASICON, la Pérovskite et le LiPON sont basés sur le système oxyde.

La course entre les systèmes polymères, oxydes et sulfures n’est pas claire jusqu’à présent et il est courant de voir des entreprises de batteries essayer plusieurs approches. les systèmes polymères sont faciles à traiter et sont les plus proches de la commercialisation, tandis que la température de fonctionnement relativement élevée, le faible potentiel anti-oxydes et une stabilité moindre indiquent des défis. Les électrolytes sulfurés présentent des avantages de conductivité ionique élevée, de température de traitement basse, de fenêtre de stabilité électrochimique large, etc. De nombreuses fonctionnalités les rendent attrayantes, étant considérées par beaucoup comme l’option ultime. Cependant, la difficulté de fabrication et le sous-produit toxique qui peut être généré dans le processus rendent la commercialisation relativement lente. Les systèmes d’oxyde sont stables et sûrs, tandis que la résistance d’interface plus élevée et la température de traitement élevée présentent des difficultés en général.

Dans ce rapport, des technologies détaillées sont introduites, analysées et comparées. Pour mieux comprendre les technologies de batteries à semi-conducteurs, les acteurs, les marchés, les opportunités, les défis et plus encore, veuillez vous référer au rapport d’IDTechEx « Batteries à semi-conducteurs et Polymères 2020-2030: Technologie, Brevets, Prévisions, Acteurs », www.IDTechEx.com/SSB ou pour le portefeuille complet de recherche sur le stockage d’énergie disponible auprès d’IDTechEx, veuillez visiter www.IDTechEx.com/Research/ES .

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