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De nouvelles batteries lithium-métal conduiront au passage aux voitures électriques
Un nouveau type de batterie pourrait enfin rendre les voitures électriques aussi pratiques et bon marché que les voitures à essence.
Un diffractomètre à rayons X est utilisé pour vérifier les composants de la batterie à QuantumScape. Les coupables sont Wintermeyer
24 février 2021
Pourquoi est-ce important:Les limitations de performances des batteries ont freiné le passage à des voitures électriques plus propres et ont pratiquement exclu les avions électriques.
Joueurs clés:• QuantumScape
• Institut de technologie avancée Samsung
• Puissance solide
• 24M
Disponibilité:2025
Malgré tout le battage médiatique et l'espoir autour des véhicules électriques, ils ne représentent encore qu'environ 2 % des ventes de voitures neuves aux États-Unis et un peu plus dans le monde.
Pour de nombreux acheteurs, ils sont tout simplement trop chers, leur autonomie est trop limitée et leur recharge n'est pas aussi rapide et pratique que le ravitaillement à la pompe.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2021
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Toutes ces limitations sont liées aux batteries lithium-ion qui alimentent les véhicules. Ils sont coûteux, lourds et manquent rapidement de jus. Pour aggraver les choses, les batteries reposent sur des électrolytes liquides qui peuvent s'enflammer lors de collisions.
Rendre les voitures électriques plus compétitives avec les voitures à essence nécessitera une batterie révolutionnaire qui remédie à ces lacunes. C'est du moins l'argument de Jagdeep Singh, directeur général de QuantumScape, une startup de la Silicon Valley qui prétend avoir développé juste une telle technologie .
L'entreprise affirme l'avoir fait en résolvant une énigme chimique qui intrigue les chercheurs depuis près d'un demi-siècle : comment utiliser le lithium, le métal le plus léger du tableau périodique, pour augmenter la quantité d'énergie pouvant être stockée dans une batterie sans poser de problème. risque courant d'incendie ou de sacrifier les performances. La société affirme y être parvenue, en grande partie, en développant une version solide de l'électrolyte liquide inflammable.
VW a été suffisamment impressionné pour investir des centaines de millions de dollars dans QuantumScape. Le géant allemand de l'automobile a également accepté de créer une joint-venture avec l'entreprise pour produire en masse les batteries et affirme qu'elles seront dans ses voitures et camions électriques sur la route d'ici 2025.
Charge plus rapide et autonomie plus longue
Dans une batterie lithium-ion conventionnelle, l'une des deux électrodes, l'anode, est constituée principalement de graphite. Il s'agit d'une forme de carbone qui peut facilement absorber et libérer les ions lithium chargés qui font la navette entre l'anode et la cathode à travers l'électrolyte. Ce flux de particules chargées produit un courant électrique qui sort de la batterie pour alimenter tout ce qui a besoin d'être alimenté. Mais le graphite n'est qu'un hôte pour les ions lithium, qui se nichent entre des feuilles de carbone comme des emballages sur des étagères. C'est un poids mort qui ne stocke pas d'énergie et ne produit pas de courant lui-même.
Dans une batterie au lithium-métal, l'anode elle-même est en lithium. Cela signifie que presque tous les atomes de l'anode de la batterie peuvent également être mis au travail pour créer du courant. Théoriquement, une batterie au lithium-métal à base d'anode pourrait stocker 50 % d'énergie en plus qu'une batterie de même poids et volume reposant sur le graphite.
Cependant, comme le lithium métal est si réactif, être en contact constant avec un électrolyte liquide peut déclencher des réactions qui dégradent la batterie ou la font brûler, explique Venkat Viswanathan, professeur agrégé à Carnegie Mellon qui travaille sur les batteries lithium-métal et est un consultant pour QuantumScape. Un autre problème est que lorsque les ions lithium circulent dans les deux sens, des structures en forme d'aiguilles appelées dendrites peuvent se former dans les batteries et court-circuiter la cellule ou provoquer son incendie.
La cellule prototype de QuantumScape présente une version solide de l'électrolyte généralement liquide.
WINNI WINTERMEYERQuantumScape, qui est devenu public en novembre après avoir fonctionné en mode furtif pendant une décennie, retient toujours certains des détails critiques sur la façon dont sa batterie à électrolyte solide surmonte ces problèmes. Mais il semble fonctionner remarquablement bien.
Dans une présentation en ligne en décembre, la startup a affiché une série de graphiques montrant qu'une version de laboratoire monocouche de la batterie peut être chargée à plus de 80% de sa capacité en 15 minutes, dure des centaines de milliers de kilomètres et fonctionne bien à des températures glaciales. La société s'attend à ce que les batteries soient en mesure d'augmenter l'autonomie des véhicules électriques de plus de 80 % : une voiture qui peut parcourir 250 miles avec une seule charge aujourd'hui pourrait parcourir 450 miles à la place.
QuantumScape m'a fait reculer, déclare Nancy Dudney, chercheuse en batteries au Laboratoire national d'Oak Ridge, qui a fait des travaux pionniers sur les électrolytes à l'état solide. À première vue, ça a l'air vraiment bien, dit-elle, bien qu'elle ajoute, nous avons déjà été ici avec d'autres avancées de batterie.
En effet, le domaine des batteries regorge d'exemples de startups qui promettaient des technologies révolutionnaires mais qui ont finalement échoué. Et les défis qui attendent QuantumScape sont de taille, en particulier lorsqu'il s'agit de convertir ses prototypes de cellules en produits commerciaux pouvant être fabriqués à moindre coût.
Si l'entreprise réussit, elle pourrait transformer le marché des véhicules électriques. Réduire les coûts, augmenter l'autonomie et rendre la recharge presque aussi pratique que de faire le plein dans une station-service pourrait élargir la demande au-delà des personnes qui peuvent se permettre de débourser des milliers de dollars pour recharger les ports à la maison et apaiser les angoisses de ceux qui craignent d'être bloqués. trajets plus longs.
La densité d'énergie supplémentaire et la recharge plus rapide pourraient également rendre plus pratique l'électrification d'autres formes de transport, y compris le camionnage long-courrier et même les vols à courte distance. (En prime, il fournirait également des téléphones et des ordinateurs portables qui pourraient durer quelques jours avec une seule charge.)
Naissance d'une batterie
L'histoire des batteries lithium-métal a commencé au début des années 1970 et est étroitement liée au développement des batteries lithium-ion dont nous dépendons aujourd'hui.
Les crises pétrolières de l'époque, associées à ce qui allait s'avérer être des craintes très précoces de pic pétrolier, ont soudainement ravivé l'intérêt pour les véhicules électriques pour la première fois depuis les débuts de l'industrie automobile. En 1972, American Motors, Chrysler, Ford, GM, Toyota, VW et d'autres travaillaient tous sur des voitures électriques, comme le décrit l'écrivain scientifique Seth Fletcher dans le livre. Éclairage en bouteille . Pendant ce temps, de grands laboratoires industriels, dont ceux de GE, Dow Chemical et Exxon, recherchaient de meilleures chimies de batterie.
Les batteries à l'époque, qui étaient principalement au plomb, ne pouvaient pas livrer n'importe où près des distances ou des vitesses des moteurs à essence. En 1969, General Motors voiture électrique expérimentale 512 affichait une vitesse de pointe d'environ 30 milles à l'heure, avec une autonomie de 47 milles.
Dans une batterie lithium-ion, les ions lithium font la navette entre l'anode et la cathode lorsque la batterie se charge et se décharge. Dans la batterie de QuantumScape, les ions traversent un séparateur et forment une couche parfaitement plate entre celui-ci et le contact électrique, créant l'anode lorsqu'elle est chargée. Il manque une anode dans son état appauvri.
En 1972, la division de recherche d'Exxon a embauché un jeune chimiste du nom de Stan Whittingham grâce à son travail postdoctoral à Stanford. Plus précisément, il développait des matériaux cristallins qui permettaient aux ions d'entrer et de sortir facilement. Chez Exxon, Whittingham et ses collègues ont commencé à expérimenter un matériau poreux prometteur pour une cathode : le disulfure de titane. Ils l'ont associé à une anode en lithium métallique, un matériau hautement réactif qui libère facilement ses électrons. Cela a étonnamment bien fonctionné.
L'équipe a déposé une demande de brevet en 1973, publié un document historique article en sciences en 1976, et a montré une version plus grande des cellules lors d'un salon de l'auto en 1977 .
Au début des années 1980, la crise pétrolière était passée. La nouvelle direction d'Exxon a décidé de se débarrasser de tout secteur d'activité sans le potentiel de devenir un marché annuel de 100 millions de dollars. La société a abandonné ses efforts en matière de véhicules électriques et de batteries. Ils ont dit: «Ceux-ci sont trop petits pour que nous soyons impliqués», explique Whittingham.
Le lithium-ion prend le relais
Les batteries au lithium-métal étaient de loin supérieures aux batteries au plomb, mais elles présentaient également des inconvénients inhérents que l'équipe d'Exxon n'avait jamais résolus, notamment leur habitude de déclencher des incendies dans le laboratoire.
D'autres qui ont tenté de commercialiser des batteries lithium-métal ont rencontré des problèmes similaires. Dans les années 1980, Moli Energy de la Colombie-Britannique a mis au point une batterie au lithium-métal de 2,2 volts pour les ordinateurs portables et les téléphones portables. Mais en 1989, un téléphone portable japonais prend feu, brûler son propriétaire . Après qu'une enquête a blâmé la batterie, des milliers de téléphones cellulaires ont été rappelés et l'entreprise a été mise sous séquestre, selon Electric Autonomy Canada.
Pendant ce temps, d'autres s'appuyaient sur le travail de Whittingham. John Goodenough, maintenant professeur à l'Université du Texas à Austin, a utilisé de l'oxyde de cobalt plutôt que du disulfure de titane pour développer une cathode capable de stocker plus d'énergie. Akira Yoshino, professeur à l'Université Meijo, a remplacé l'anode de lithium pur par du coke (une autre forme de carbone), qui pouvait encore stocker beaucoup d'ions lithium mais réduisait les risques d'incendie. Enfin, les chercheurs de Sony ont assemblé les pièces pour développer les premières batteries lithium-ion commerciales en 1992. Whittingham, Goodenough et Yoshino a partagé le prix Nobel de chimie en 201 9 pour leurs rôles dans la percée.
Le succès fulgurant des batteries lithium-ion, qui alimentent désormais nos ordinateurs portables, téléphones et véhicules électriques, a annulé les efforts de commercialisation de la technologie lithium-métal pour les années à venir. Mais certains n'ont jamais perdu de vue le potentiel du lithium-métal en tant que forme de stockage d'énergie plus efficace. Et remplacer les électrolytes liquides standards, qui sont en fait des solvants combustibles, par des matériaux solides semblait une voie d'exploration particulièrement prometteuse.
Vers 2000, une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge a fait la démonstration de batteries à couches minces - du type déployé dans les petits appareils électroniques comme les cartes à puce et les stimulateurs cardiaques - qui utilisaient la technologie lithium-métal à l'état solide. Le processus de production, la taille et la forme des piles à couches minces limitent principalement leur utilisation au-delà de tout ce qui est plus grand qu'une montre, explique Paul Albertus, expert en piles à l'Université du Maryland. Mais le travail a fourni une preuve de concept cruciale pour une batterie lithium-métal fonctionnelle.
Tuer sur la route
Diverses startups avaient recommencé à poursuivre la technologie à la fin des années 2000. Mais il s'est avéré être une route dangereuse.
Certains ont déjà fermé. Seeo, formé en 2007, a été racheté par la société allemande Bosch, qui a ensuite dissous ses efforts de recherche sur les batteries. Bolloré, basé en France, a été le premier à mettre des batteries lithium-métal à l'état solide dans les véhicules sur la route, en lançant ses programmes d'autopartage Bluecar en 2011. Mais ses électrolytes à base de polymères ne fonctionnent qu'à des températures plus élevées, limitant leur utilisation dans les véhicules grand public. .
Les cathodes des batteries de QuantumScape sont fabriquées sur cette ligne de fabrication.
WINNI WINTERMEYERUne poignée d'autres entreprises, cependant, ont fait des progrès plus récents. Plus particulièrement, deux jours après la présentation de QuantumScape en décembre dernier, Solid Power, une startup du Colorado fondée en 2012, a annoncé qu'elle produisait déjà des lots à l'échelle pilote de cellules lithium-métal à 22 couches qui dépasseraient la gamme des batteries de véhicules électriques d'aujourd'hui. .
Et en janvier, la division ARPA-E du ministère de l'Énergie a annoncé qu'elle investirait 9 millions de dollars dans un effort de la société de batteries 24M et de Viswanathan de Carnegie Mellon pour développer des batteries lithium-métal conçues pour les avions électriques, où l'énergie stockée et la puissance fournie par kilogramme sont crucial.
Démarrage de QuantumScape
L'astuce pour toute entreprise développant des batteries lithium-métal a été d'identifier les matériaux électrolytiques qui empêchent les incendies et les dendrites tout en permettant aux ions de passer facilement à travers, et sans dégrader autrement les performances de la batterie. Et c'est précisément ce que QuantumScape prétend avoir fait.
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Cette batterie super dense en énergie pourrait presque doubler l'autonomie des véhicules électriques Mais certains observateurs ne sont pas convaincus que les batteries lithium-métal de QuantumScape alimenteront les voitures et les camions sur la route dès que la société le prétendra.Les origines de l'entreprise remontent à 2009. Alors que Singh s'apprêtait à quitter ses fonctions de PDG d'Infinera, une société de réseautage qu'il a cofondée, il a commencé à discuter avec le boursier postdoctoral de Stanford Tim Holme et son conseiller, Friedrich Prinz, de la création d'une société basée sur leurs recherches sur de nouveaux matériaux de batterie.
Le trio a cofondé QuantumScape l'année suivante, dans le but de développer des batteries à haute densité énergétique et à haute puissance de sortie. Ils ont d'abord essayé de le faire en créant un tout nouveau type de batterie, connu sous le nom de batterie tout électronique, mais ont constaté que ce serait plus difficile qu'il n'y paraissait initialement.
À ce moment-là, la société avait levé des dizaines de millions de dollars auprès de sociétés de capital-risque comme Kleiner Perkins et Khosla Ventures. Cela a laissé à QuantumScape suffisamment d'argent pour changer tranquillement de direction, poursuivant le rêve de la technologie lithium-métal.
La société a passé les cinq années suivantes à chercher le bon matériau pour développer un électrolyte à l'état solide, explique Singh. Il a ensuite passé cinq autres à élaborer la bonne composition et le bon processus de fabrication pour éviter les défauts et les dendrites. Tout ce que l'entreprise dira de son électrolyte, c'est qu'il s'agit d'une céramique.
Sommes-nous déjà là?
Tous les tests publiés par QuantumScape jusqu'à présent ont été effectués sur des cellules monocouches. (Après la mise sous presse de cet article, la société a annoncé avoir produit et effectué des tests sur des cellules à 4 couches qui ont obtenu des résultats similaires.) Pour travailler dans les voitures, la société devra produire des batteries remplies de plusieurs dizaines de couches , passant efficacement d'une seule carte à jouer à un jeu. Et il lui faudra encore trouver un moyen de fabriquer ces cellules à moindre coût pour concurrencer le lithium-ion, une technologie de batterie qui domine depuis des décennies.
C'est une tâche d'ingénierie ardue. Ils en sont à mi-chemin - après 10 ans et 300 millions de dollars et 150 personnes travaillant là-dessus, ils ont maintenant cette petite carte à jouer, dit Albertus, de l'Université du Maryland. C'est encore loin de livrer des batteries à l'échelle de milliers de tonnes métriques - et c'est un défi vraiment difficile. Plusieurs chercheurs sur les batteries m'ont dit qu'ils doutaient sérieusement que QuantumScape puisse évoluer et effectuer des tests de sécurité complets à temps pour mettre les batteries dans les voitures sur la route dans seulement quatre ans.
Compte tenu des résultats de l'entreprise et des annonces encourageantes d'autres startups, la plupart des gens dans le monde de la batterie pensent qu'il est plus probable que les problèmes qui ont retardé le lithium-métal pendant des décennies puissent être résolus, c'est pourquoi il figure sur la liste de MIT Technology Review. technologies révolutionnaires cette année. Mais il est également clair que malgré tous les progrès réalisés depuis l'époque de Whittingham chez Exxon, des années de travail restent à faire.
Mise à jour : Cette histoire a été mise à jour pour corriger une erreur concernant la quantité d'énergie supplémentaire qu'une batterie lithium-métal peut théoriquement stocker.
2021