Cette avancée de la batterie pourrait rendre les véhicules électriques beaucoup moins chers

Ce sont des nanotechnologies

Au cours des sept dernières années, une startup basée à Alameda, en Californie, a travaillé discrètement sur un nouveau matériau d'anode qui promet d'augmenter considérablement les performances des batteries lithium-ion.

Sila Nanotechnologies est sortie du mode furtif le mois dernier, s'associant à BMW pour intégrer les matériaux d'anode à base de silicium de la société dans au moins certains des véhicules électriques du constructeur automobile allemand d'ici 2023. Un porte-parole de BMW Raconté la le journal Wall Street la société s'attend à ce que l'accord entraîne une augmentation de 10 à 15 % de la quantité d'énergie que vous pouvez stocker dans une cellule de batterie d'un volume donné. Le PDG de Sila, Gene Berdichevsky, a déclaré que les matériaux pourraient éventuellement produire jusqu'à 40 % d'amélioration (voir 35 innovateurs de moins de 35 ans : Gene Berdichevsky).

Pour les véhicules électriques, une augmentation de la soi-disant densité d'énergie étend considérablement la plage de kilométrage possible sur une seule charge ou diminue le coût des batteries nécessaires pour atteindre les plages standard. Pour les gadgets grand public, cela pourrait atténuer la frustration des téléphones portables qui ne peuvent pas passer la journée, ou cela pourrait permettre des fonctionnalités de nouvelle génération gourmandes en énergie comme des caméras plus grandes ou des réseaux 5G ultrarapides.

Les chercheurs ont passé des décennies à travailler pour faire progresser les capacités des batteries lithium-ion, mais ces gains ne viennent généralement que de quelques points de pourcentage à la fois. Alors, comment Sila Nanotechnologies a-t-elle fait un si grand bond en avant ?

Berdichevsky, qui était l'employé numéro sept chez Tesla, et CTO Gleb Youshin , professeur de science des matériaux au Georgia Institute of Technology, a récemment fourni une explication plus approfondie de la technologie de la batterie dans une interview avec Examen de la technologie MIT .

Co-fondateurs de Sila (de gauche à droite), Gleb Yushin, Gene Berdichevsky et Alex Jacobs. Sila Nanotechnologies

Une anode est l'électrode négative de la batterie, qui dans ce cas stocke les ions lithium lorsqu'une batterie est chargée. Les ingénieurs ont longtemps cru que le silicium recèle un grand potentiel en tant que matériau d'anode pour une raison simple : il peut se lier avec 25 fois plus d'ions lithium que le graphite, le principal matériau utilisé dans les batteries lithium-ion aujourd'hui.

Mais cela vient avec un gros hic. Lorsque le silicium accueille autant d'ions lithium, son volume se dilate, sollicitant le matériau d'une manière qui tend à le faire s'effriter pendant la charge. Ce gonflement déclenche également des réactions secondaires électrochimiques qui réduisent les performances de la batterie.

En 2010, Yushin a co-écrit un article scientifique papier qui a identifié une méthode de production de nanoparticules rigides à base de silicium qui sont suffisamment poreuses à l'intérieur pour s'adapter à des changements de volume importants. Il s'est associé à Berdichevsky et à un autre ancien ingénieur de batteries Tesla, Alex Jacobs, pour former Sila l'année suivante.

Depuis lors, la société s'est efforcée de commercialiser ce concept de base en développant, produisant et testant des dizaines de milliers de variétés différentes de nanoparticules d'anode de plus en plus sophistiquées. Il a trouvé des moyens de modifier la structure interne pour empêcher l'électrolyte de la batterie de s'infiltrer dans les particules, et il a réalisé des dizaines de gains supplémentaires en densité d'énergie qui ont finalement abouti à une amélioration d'environ 20 % par rapport à la meilleure technologie existante.

En fin de compte, Sila a créé une particule sphérique robuste de taille micrométrique avec un noyau poreux, qui dirige une grande partie du gonflement dans la structure interne. L'extérieur de la particule ne change pas de forme ou de taille pendant la charge, garantissant des performances et une durée de vie autrement normales.

Les poudres d'anode composites qui en résultent fonctionnent comme un matériau de remplacement pour les fabricants existants de cellules lithium-ion.

Avec toute nouvelle technologie de batterie, il faut au moins cinq ans pour passer par les processus d'assurance qualité et sécurité de l'industrie automobile, d'où le calendrier 2023 avec BMW. Mais Sila est sur une voie plus rapide avec l'électronique grand public, où il s'attend à voir des produits portant ses matériaux de batterie sur les étagères au début de l'année prochaine.

Venkat Viswanathan, ingénieur en mécanique chez Carnegie Mellon, affirme que Sila fait de grands progrès. Mais il prévient que les gains dans une métrique de batterie se font souvent au détriment d'autres - comme la sécurité, le temps de charge ou la durée de vie - et que ce qui fonctionne en laboratoire ne se traduit pas toujours parfaitement dans les produits finaux.

Des sociétés comme Enovix et Enevate développent également des matériaux d'anode à dominante silicium. Pendant ce temps, d'autres entreprises poursuivent des voies entièrement différentes vers un stockage de plus grande capacité, notamment les batteries à semi-conducteurs. Ceux-ci utilisent des matériaux tels que le verre, la céramique ou les polymères pour remplacer les électrolytes liquides, qui aident à transporter les ions lithium entre la cathode et l'anode.

BMW a également en partenariat avec Solid Power, une entreprise dérivée de l'Université du Colorado à Boulder, qui affirme que sa technologie à semi-conducteurs reposant sur des anodes lithium-métal peut stocker deux à trois fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion traditionnelles. Pendant ce temps, Ionic Materials, qui a récemment soulevé 65 millions de dollars de Dyson et d'autres, a développé un électrolyte polymère solide qui, selon lui, permettra des batteries plus sûres et moins chères qui peuvent fonctionner à température ambiante et fonctionneront également avec du lithium métal.

Certains experts en batteries pensent que la technologie à semi-conducteurs promet finalement des gains plus importants en termes de densité d'énergie, si les chercheurs parviennent à surmonter certains des obstacles techniques restants.

Mais Berdichevsky souligne que les matériaux de Sila sont prêts pour les produits maintenant et, contrairement aux batteries lithium-métal à semi-conducteurs, ne nécessitent aucune mise à niveau coûteuse de l'équipement de la part des fabricants de batteries.

Alors que la société développe des moyens supplémentaires pour limiter les changements de volume dans les particules à base de silicium, Berdichevsky et Yushin pensent qu'ils seront en mesure d'étendre davantage la densité d'énergie, tout en améliorant les temps de charge et la durée de vie totale du cycle.

Cette histoire a été mise à jour pour clarifier que Samsung n'a pas investi dans le dernier cycle de financement d'Ionic Material.

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