211service.com
Cette batterie super dense en énergie pourrait presque doubler l'autonomie des véhicules électriques
Cellule de batterie lithium-métal monocouche à semi-conducteurs de QuantumScape. Avec l'aimable autorisation de QuantumScape
Les scientifiques considèrent depuis longtemps les batteries lithium-métal comme une technologie idéale pour le stockage de l'énergie, tirant parti du métal le plus léger du tableau périodique pour fournir des cellules bourrées d'énergie.
Mais les chercheurs et les entreprises ont essayé en vain pendant des décennies de produire des versions abordables et rechargeables qui n'avaient pas la mauvaise habitude de prendre feu.
Plus tôt cette année, Jagdeep Singh, le directeur général de QuantumScape, a affirmé dans une interview avec The Mobilist que la société furtive et fortement financée de la Silicon Valley avait résolu les principaux défis techniques. Il a ajouté que VW prévoit d'avoir les batteries dans ses voitures et camions d'ici 2025, promettant de réduire les coûts et d'augmenter l'autonomie de ses véhicules électriques.
Après être devenu public en novembre, QuantumScape est maintenant évalué à environ 20 milliards de dollars, bien qu'il n'ait pas encore de produit ou de revenus (et on ne s'attend pas à ce qu'il le soit avant 2024 ). VW a investi plus de 300 millions de dollars dans l'entreprise et a créé une joint-venture avec QuantumScape pour fabriquer les batteries. La société a également levé des centaines de millions auprès d'autres grands investisseurs.
Pourtant, jusqu'à présent, Singh avait révélé peu de détails sur la batterie, incitant les chercheurs, les rivaux et les journalistes à parcourir les dépôts de brevets, les documents des investisseurs et d'autres sources pour trouver des indices sur ce que l'entreprise avait précisément réalisé et comment.
Dans une annonce à la presse le mardi 8 décembre, QuantumScape a finalement fourni les résultats techniques des tests en laboratoire. Sa technologie est une batterie partiellement à l'état solide, ce qui signifie qu'elle utilise un électrolyte solide au lieu du liquide sur lequel la plupart des batteries s'appuient pour favoriser le mouvement des atomes chargés à travers l'appareil.
De nombreux chercheurs et entreprises explorent la technologie à semi-conducteurs pour une variété de chimies de batterie, car cette approche a le potentiel d'améliorer la sécurité et la densité d'énergie, bien que le développement d'une version pratique se soit avéré difficile.
La société, basée à San Jose, en Californie, retient toujours certains détails sur sa batterie, y compris certains des matériaux et processus clés qu'elle utilise pour la faire fonctionner. Et certains experts restent sceptiques que QuantumScape a véritablement relevé les défis techniques délicats qui rendraient possible une batterie lithium-métal dans les véhicules utilitaires au cours des cinq prochaines années.
Résultats de test
Dans une interview avec MIT Technology Review, Singh a déclaré que la société avait montré que ses batteries répondraient efficacement à cinq besoins clés des consommateurs qui ont jusqu'à présent empêché les véhicules électriques de dépasser 2 % des ventes de voitures neuves aux États-Unis : des coûts réduits, une plus grande autonomie, des temps de charge plus courts, une durée de vie totale plus longue sur la route et une sécurité améliorée.
Toute batterie qui peut répondre à ces exigences peut vraiment ouvrir 98% du marché d'une manière que vous ne pouvez pas faire aujourd'hui, dit-il.
Jagdeep Singh, PDG de QuantumScape
En effet, les résultats de performance de QuantumScape sont remarquables.
Les batteries peuvent se recharger à 80 % de leur capacité en moins de 15 minutes. (MoteurTrend trouvé que le Supercharger V3 de Tesla a fait passer un modèle 3 de 5% à 90% en 37 minutes, lors d'un test l'année dernière.) Et ils conservent plus de 80% de leur capacité sur 800 cycles de charge, ce qui équivaut à parcourir 240 000 miles. En fait, la batterie montre peu de dégradation même lorsqu'elle est soumise à des cycles de charge et de décharge agressifs.
Enfin, la société affirme que la batterie est conçue pour atteindre des autonomies qui pourraient dépasser de plus de 80 % celles des véhicules électriques équipés de batteries lithium-ion standard, bien que cela n'ait pas encore été directement testé.
Les données de QuantumScape sont assez impressionnantes, déclare Paul Albertus, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l'Université du Maryland et ancien directeur du programme IONICS axé sur l'état solide d'ARPA-E, qui n'a aucune affiliation ni relation financière avec l'entreprise.
La société est allée beaucoup plus loin que d'autres choses que j'ai vues dans les batteries au lithium-métal, ajoute-t-il : elles ont couru un marathon alors que tout le monde a fait un 5 km.
Comment ça fonctionne
Alors, comment ont-ils réussi tout cela ?
Dans une batterie lithium-ion standard d'une voiture électrique aujourd'hui, l'une des deux électrodes (l'anode) est principalement constituée de graphite, qui stocke facilement les ions lithium qui vont et viennent dans la batterie. Dans une batterie au lithium-métal, cette anode est constituée du lithium lui-même. Cela signifie que presque chaque électron peut être mis au travail pour stocker de l'énergie, ce qui explique le plus grand potentiel de densité d'énergie.
Mais cela crée quelques grands défis. La première est que le métal est hautement réactif, donc s'il entre en contact avec un liquide, y compris l'électrolyte qui supporte le mouvement de ces ions dans la plupart des batteries, il peut déclencher des réactions secondaires qui dégradent la batterie ou la font brûler. La seconde est que le flux d'ions lithium peut former des formations en forme d'aiguilles appelées dendrites, qui peuvent perforer le séparateur au milieu de la batterie, court-circuitant la cellule.
Au fil des ans, ces problèmes ont conduit les chercheurs à essayer de développer des électrolytes à l'état solide qui ne réagissent pas avec le lithium métallique, en utilisant des céramiques, des polymères et d'autres matériaux.
L'une des principales innovations de QuantumScape a été le développement d'un électrolyte céramique à l'état solide qui sert également de séparateur. D'une épaisseur de quelques dizaines de micromètres seulement, il supprime la formation de dendrites tout en permettant aux ions lithium de passer facilement d'avant en arrière. (L'électrolyte à l'autre extrémité de la batterie, du côté de la cathode, est un gel d'une certaine forme, donc ce n'est pas une batterie entièrement à l'état solide.)
Singh refuse de préciser le matériel qu'ils utilisent, affirmant que c'est l'un de leurs secrets commerciaux les mieux gardés. (Quelques les experts en batterie soupçonnent , sur la base des dépôts de brevets, qu'il s'agit d'un oxyde connu sous le nom de LLZO.) Il a fallu cinq ans pour le trouver ; développer la bonne composition et le bon processus de fabrication pour prévenir les défauts et les dendrites en a pris cinq autres.
La société estime que le passage à la technologie à semi-conducteurs rendra les batteries plus sûres que la variété lithium-ion sur le marché aujourd'hui, qui prend encore parfois feu eux-mêmes dans des circonstances extrêmes.
L'autre grande avancée est que la batterie est fabriquée sans anode distincte. (Voir QuantumScape vidéo ici pour avoir une meilleure idée de sa conception sans anode.)
Au fur et à mesure que la batterie se charge, les ions lithium du côté cathode traversent le séparateur et forment une couche parfaitement plane entre celui-ci et le contact électrique à l'extrémité de la batterie. La quasi-totalité de ce lithium retourne ensuite à la cathode pendant le cycle de décharge. Cela élimine le besoin de tout matériau d'anode hôte qui ne contribue pas directement au travail de stockage d'énergie ou de transport de courant, ce qui réduit encore le poids et le volume nécessaires. Cela devrait également réduire les coûts de fabrication, selon la société.
Risques restants
Il y a cependant un hic : les résultats de QuantumScape proviennent de tests en laboratoire effectués sur des cellules monocouches. Une batterie automobile réelle devrait avoir des dizaines de couches fonctionnant toutes ensemble. Passer de la ligne pilote à la fabrication commerciale est un défi important dans le stockage de l'énergie, et le point auquel de nombreuses startups de batteries autrefois prometteuses ont échoué.
Albertus note qu'il existe une riche histoire de revendications prématurées de percées de batterie, de sorte que toute nouvelle est accueillie avec scepticisme. Il aimerait voir QuantumScape soumettre les cellules de l'entreprise aux types de tests indépendants que les laboratoires nationaux effectuent, dans des conditions standardisées.
D'autres observateurs de l'industrie ont exprimé des doutes sur le fait que l'entreprise puisse réaliser les tests de mise à l'échelle et de sécurité nécessaires pour mettre des batteries dans les véhicules sur la route d'ici 2025, si l'entreprise n'a jusqu'à présent testé rigoureusement que des cellules monocouches.
Sila Nanotechnologies, une startup rivale de batteries en développement un autre type de matériaux d'anode denses en énergie pour les batteries lithium-ion, a publié un papier blanc un jour avant l'histoire de Mobilist qui met en lumière une litanie de défis techniques pour les batteries lithium-métal à l'état solide. Il note que bon nombre des avantages théoriques du lithium-métal se réduisent à mesure que les entreprises s'orientent vers des batteries commerciales, compte tenu de toutes les mesures supplémentaires nécessaires pour les faire fonctionner.
Mais le document souligne que le plus difficile sera de relever le défi du marché : concurrencer l'infrastructure mondiale massive déjà en place pour s'approvisionner, produire, expédier et installer des batteries lithium-ion.
Paris massifs
D'autres observateurs, cependant, affirment que les avancées récentes dans le domaine indiquent à la fois que les batteries lithium-métal dépasseront considérablement la densité d'énergie de la technologie lithium-ion et que les problèmes qui bloquent le champ peuvent être résolus.
Auparavant, nous avions des batteries au lithium-métal ; maintenant, il s'agit de savoir quand nous les aurons, dit Venkat Viswanathan, professeur agrégé à Carnegie Mellon qui a fait des recherches sur les batteries lithium-métal (et a fait du travail de conseil pour QuantumScape).
Singh a reconnu que l'entreprise était toujours confrontée à des défis, mais il insiste sur le fait qu'ils sont liés à l'ingénierie et à la mise à l'échelle de la fabrication. Il ne pense pas que des percées supplémentaires dans la chimie soient nécessaires.
Il a également noté que la société disposait désormais de plus d'un milliard de dollars, ce qui lui offrait une piste considérable pour se rendre à la production commerciale.
Lorsqu'on lui a demandé pourquoi les journalistes devraient avoir confiance dans les résultats de l'entreprise sans bénéficier de conclusions indépendantes, Singh a souligné qu'il partageait autant de données que possible pour être transparent. Mais il ajoute que QuantumScape n'est pas dans le domaine de la recherche universitaire.
Aucune offense, mais nous ne nous soucions pas vraiment de ce que vous pensez, dit-il. Les personnes dont nous nous soucions sont nos clients. Ils ont vu les données, ils ont effectué les tests dans leur propre laboratoire, ils ont vu que cela fonctionnait et, par conséquent, ils parient massivement sur cette entreprise. VW a tout misé.
En d'autres termes, le véritable test pour savoir si QuantumScape a résolu les problèmes aussi complètement qu'il le prétend est de savoir si le géant allemand de l'automobile mettra des voitures équipées de batteries sur la route d'ici 2025.