Les batteries lithium-ion viennent de faire un grand saut dans un tout petit produit

Le WHOOP 4.0. CRI

Une entreprise de matériaux à Alameda, en Californie, a passé la dernière décennie à travailler pour augmenter l'énergie stockée dans les batteries lithium-ion, une avancée qui pourrait permettre des gadgets plus petits et des véhicules électriques avec une autonomie beaucoup plus grande.

Sila a développé des particules à base de silicium qui peuvent remplacer le graphite dans les anodes et contenir davantage d'ions lithium qui transportent le courant dans une batterie.

Aujourd'hui, l'entreprise livre son produit sur le marché pour la première fois, en fournissant une partie de la poudre d'anode dans la batterie du futur Cri 4.0, un portable de fitness. C'est un petit appareil mais potentiellement un grand pas en avant pour le domaine des batteries, où les résultats de laboratoire prometteurs ne se traduisent souvent pas en succès commercial.

Considérez le Whoop 4.0 comme notre Torpédo Tesla , déclare Gene Berdichevsky, PDG de Sila, qui, en tant que septième employé de Tesla, a aidé à résoudre certains des problèmes critiques de batterie pour le premier véhicule électrique de l'entreprise. C'est vraiment le premier appareil sur le marché qui prouve cette percée.

Cellules de batterie produites avec les particules à base de silicium de Sila.

SILA

Les matériaux de la société, avec une légère assistance provenant d'autres avancées, ont augmenté la densité d'énergie dans la batterie du tracker de fitness d'environ 17 %. C'est un gain significatif dans un domaine qui progresse généralement de quelques points de pourcentage par an.

Cela équivaut à environ quatre ans de progrès standard, mais en un seul grand saut, explique Venkat Viswanathan, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon.

Sila est toujours confrontée à de réels défis techniques, mais cette avancée est un signe prometteur du potentiel de batteries de plus en plus performantes pour aider le monde à s'éloigner des combustibles fossiles à mesure que les dangers du changement climatique s'accélèrent. L'augmentation de la quantité d'énergie que les batteries peuvent stocker permet à des sources d'électricité de plus en plus propres d'alimenter plus facilement nos bâtiments, véhicules, usines et entreprises.

Pour le secteur des transports, une batterie plus dense en énergie peut réduire les coûts ou étendre l'autonomie des véhicules électriques, en résolvant deux des principaux problèmes qui ont découragé les consommateurs d'abandonner leurs énergivores. Il promet également de fournir des batteries de réseau qui peuvent économiser plus d'énergie des parcs solaires et éoliens, ou des gadgets grand public qui durent plus longtemps entre les charges.

La densité d'énergie est la clé de l'électrification de tout, dit Berdichevsky, un Innovateur de moins de 35 ans en 2017.

Dans le cas du nouveau portable de fitness, les nouveaux matériaux de batterie et d'autres améliorations ont permis à Whoop, basé à Boston, de réduire l'appareil de 33 % tout en conservant cinq jours d'autonomie. Le produit est maintenant suffisamment fin pour être inséré dans des vêtements intelligents et être porté comme une montre. Il sera mis en vente le 8 septembre.

Sila, qui a annoncé 590 millions de dollars de financement en janvier, a également mis en place des partenariats pour développer des matériaux de batterie pour les constructeurs automobiles tels que BMW et Daimler. La société a déclaré que sa technologie pourrait éventuellement contenir jusqu'à 40 % d'énergie en plus dans les batteries lithium-ion.

Prévenir les incendies

Berdichevsky a passé un entretien et a décroché son emploi chez Tesla avant sa dernière année à l'Université de Stanford, où il préparait un diplôme en génie mécanique. Il a fini par jouer un rôle clé dans la résolution d'un risque potentiellement existentiel pour l'entreprise : qu'un incendie dans l'une des milliers de batteries emballées dans un véhicule enflamme tout le pack.

Il a mis en place un programme pour évaluer systématiquement une série de modèles de batteries. Après des centaines de tests, la société a développé une combinaison d'arrangements de batteries, de matériaux de transfert de chaleur et de canaux de refroidissement qui ont largement empêché les incendies incontrôlables.

Après que Tesla a lancé le Roadster, Berdichevsky a estimé qu'il devait soit s'engager pour cinq autres années pour voir l'entreprise développer le prochain véhicule, la Model S, soit saisir l'occasion d'essayer quelque chose de nouveau.

En fin de compte, il a décidé qu'il voulait construire quelque chose à lui.

Gene Berdichevsky, directeur général et cofondateur de Sila.

DAVID PAUL MORRIS/SILA

Berdichevsky est retourné à Stanford pour un programme de maîtrise étudiant les matériaux, la thermodynamique et la physique, dans l'espoir de trouver des moyens d'améliorer le stockage au niveau fondamental. Après avoir obtenu son diplôme, il a passé un an en tant qu'entrepreneur en résidence chez Sutter Hill Ventures, à la recherche d'idées qui pourraient constituer la base de sa propre entreprise.

Pendant ce temps, il rencontra un scientifique papier identification d'un procédé de production de particules à base de silicium pour anodes de batterie lithium-ion.

Les chercheurs considèrent depuis longtemps le silicium comme un moyen prometteur d'augmenter l'énergie des batteries, car ses atomes peuvent se lier à 10 fois plus d'ions lithium en poids que le graphite. Cela signifie qu'ils contiennent beaucoup plus de molécules chargées qui produisent le courant électrique dans une batterie. Mais les anodes en silicium avaient tendance à s'effriter pendant la charge, car elles gonflaient pour accueillir les ions qui faisaient la navette entre les électrodes.

L'article, co-écrit par Gleb Yushin, professeur au Georgia Institute of Technology, a souligné la possibilité de développer des matériaux de silicium rigides avec un noyau poreux qui pourrait plus accepter et libérer facilement les ions lithium .

L'année suivante, Berdichevsky a cofondé Sila avec Yushin et Alex Jacobs, un autre ancien ingénieur de Tesla.

Obstacles et retards

La société a passé la décennie suivante à peaufiner ses méthodes et ses matériaux, travaillant sur plus de 50 000 itérations de la chimie tout en augmentant sa capacité de fabrication. Très tôt, elle a décidé de développer des matériaux de remplacement que les fabricants de batteries lithium-ion pourraient échanger, plutôt que de poursuivre la voie plus coûteuse et plus risquée de produire elle-même des batteries complètes.

Cependant, Sila n'est pas aussi avancé qu'il l'avait initialement espéré.

Après avoir obtenu plusieurs millions de dollars de la division ARPA-E du Département américain de l'énergie, la société a déclaré à un moment donné à l'agence de recherche que ses matériaux pourraient être dans des produits d'ici 2017 et dans des véhicules d'ici 2020. En 2018, lorsque Sila a annoncé son accord avec BMW, il a déclaré que ses particules pourraient aider à alimenter les véhicules électriques du constructeur automobile allemand d'ici 2023.

Berdichevsky dit que la société s'attend maintenant à être dans les véhicules d'ici 2025. Il dit que résoudre les problèmes du dernier kilomètre était tout simplement plus difficile que prévu. Les défis comprenaient la collaboration avec les fabricants de batteries pour obtenir les meilleures performances des nouveaux matériaux.

Nous étions naïvement optimistes quant aux défis de la mise à l'échelle et de la mise sur le marché des produits, a-t-il déclaré dans un e-mail.

Les nouvelles de Whoop indiquent que Sila a été en mesure de concevoir les particules d'une manière qui offre une sécurité, des cycles de vie et d'autres références de performances de batterie similaires à celles obtenues dans les produits existants.

Mais il est à noter que les particules de Sila ne fourniront qu'environ 25% de la capacité de l'anode de la batterie, les matériaux en graphite standard fournissant le reste.

Viswanathan dit que le plus gros test passera du remplacement partiel au remplacement complet du graphite. Cela nécessite un plus grand niveau de précision et de performance, qu'il décrit comme la différence entre frapper un double et un coup de circuit.

De plus, dit-il, l'entreprise est toujours confrontée à des défis importants allant des appareils grand public aux exigences plus rigoureuses des véhicules électriques. Les voitures, les camions et les bus ont besoin de batteries à haute densité énergétique et extrêmement sûres qui se chargent rapidement et durent de nombreux cycles de vie, entre autres. Le problème avec la chimie des batteries est que l'amélioration des matériaux et des processus impliqués dans une norme de performance peut souvent se faire au détriment des autres, explique Viswanathan.

Berdichevsky dit que les matériaux de batterie de Sila remplaceront entièrement le graphite dans son prochain produit commercial, qui, selon lui, est verrouillé et chargé avec un partenaire qu'il ne peut pas encore annoncer. Et contrairement à d'autres matériaux de batterie prometteurs qui attirent l'attention de la presse et des investisseurs ces jours-ci, comme le lithium métal , les matériaux de silicium de Sila sont déjà dans les produits.

Nous sommes de grands croyants que l'espoir et le battage médiatique ne changent pas le monde - l'expédition le fait, dit-il.

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