Contenu

• Gain de place
• Durée de vie plus longue
• Types d'électrolytes à l'état solide
• Piles minces
• Batteries plus grosses et plus volumineuses
• Très conducteur
• Emballer

Il y a quelques semaines, Kris nous a présenté le sujet des batteries à semi-conducteurs et de la manière dont elles pourraient constituer le prochain grand progrès de la technologie de la batterie pour smartphone. En bref, les batteries à semi-conducteurs sont plus sûres, peuvent contenir plus de jus et peuvent être utilisées pour des appareils encore plus minces. Malheureusement, leur coût d’installation dans les cellules de smartphone de taille moyenne est prohibitif, mais cela pourrait changer dans les années à venir.

Alors, si vous vous demandez ce qu’est exactement une batterie à semi-conducteurs et en quoi elle est différente des cellules lithium-ion actuelles, lisez la suite.

La principale différence entre la batterie lithium-ion couramment utilisée et une batterie à semi-conducteurs réside dans le fait que la première utilise une solution électrolytique liquide pour réguler le flux de courant, tandis que les batteries à semi-conducteurs optent pour un électrolyte solide. L’électrolyte d’une batterie est un mélange chimique conducteur qui permet l’écoulement du courant entre l’anode et la cathode.

Les batteries à semi-conducteurs fonctionnent toujours de la même manière que les batteries actuelles, mais le changement de matériau modifie certains attributs de la batterie, notamment la capacité de stockage maximale, les temps de charge, la taille et la sécurité.

Le courant à l'intérieur d'une batterie passe entre l'anode et la cathode à travers un électrolyte conducteur, tandis que les séparateurs sont utilisés pour éviter les courts-circuits.

Gain de place

L'avantage immédiat du passage d'un électrolyte liquide à un électrolyte solide est que la densité d'énergie de la batterie peut augmenter. En effet, au lieu d’exiger de grands séparateurs entre les cellules liquides, les batteries à semi-conducteurs n’exigent que des barrières très minces pour éviter les courts-circuits.

Les batteries à semi-conducteurs peuvent contenir deux fois plus d'énergie que le Li-ion

Les séparateurs de batterie classiques imbibés de liquide ont une épaisseur de 20 à 30 microns. La technologie à l'état solide peut réduire les séparateurs jusqu'à 3-4 microns chacun, ce qui représente un gain de place d'environ 7 fois par la simple substitution de matériaux.

Cependant, ces séparateurs ne sont pas le seul composant de la batterie et les autres bits ne peuvent pas être aussi réduits, ce qui limite le potentiel d'économie d'espace des batteries à semi-conducteurs.

Même dans ce cas, les batteries à semi-conducteurs peuvent contenir jusqu'à deux fois plus d'énergie que les batteries Li-ion, en remplaçant l'anode par une alternative plus petite.

Durée de vie plus longue

Les électrolytes à l’état solide sont généralement moins réactifs que le liquide ou le gel d’aujourd’hui. On peut donc s’attendre à ce qu’ils durent beaucoup plus longtemps et qu’ils n’aient pas besoin de les remplacer après seulement 2 ou 3 ans. Cela signifie également que ces batteries n'exploseront pas et ne s'enflamment pas si elles sont endommagées ou si elles présentent des défauts de fabrication, ce qui signifie des produits plus sûrs pour les consommateurs.

Les batteries à semi-conducteurs ne peuvent pas exploser ou s'enflammer si elles sont endommagées ou si elles présentent des défauts de fabrication.

Dans les smartphones actuels, les piles remplaçables sont souvent recherchées par ceux qui cherchent à utiliser le même téléphone pendant de nombreuses années, car elles peuvent être échangées une fois qu'elles commencent à tomber en panne.

Les batteries de smartphone ne tiennent souvent plus aussi bien après un an et peuvent même rendre le matériel instable, se réinitialiser ou même cesser de fonctionner après plusieurs années d’utilisation. Avec les batteries à semi-conducteurs, les smartphones et autres gadgets pourraient durer beaucoup plus longtemps sans avoir besoin d'une cellule de remplacement.

Il y a beaucoup de composés chimiques solides qui pourraient être utilisés dans les batteries, pas un seul.

Parler de piles liquides / solides est une simplification exagérée du sujet, car il existe de nombreux composés chimiques solides qui pourraient être utilisés dans les piles, et pas seulement un.

Types d'électrolytes à l'état solide

Il existe huit grandes catégories de batteries à l'état solide, chacune utilisant des matériaux différents pour l'électrolyte. Il s’agit de Li-halogénure, de pérovskite, de Li-hydride, de type NASICON, de Garnet, d’Argyrodite, de LiPON et de LISICON.

Comme nous sommes toujours aux prises avec une technologie émergente, les chercheurs s’intéressent encore aux meilleurs types d’électrolytes à semi-conducteurs à utiliser pour différentes catégories de produits. Pour l'instant, aucune ne s'est clairement démarquée, mais les cellules à base de sulfure, LiPON et Garnet sont actuellement considérées comme les plus prometteuses.

Vous aurez probablement remarqué que beaucoup de ces types sont encore au lithium (Li) à certains égards, car ils utilisent encore des électrodes au lithium. Mais beaucoup optent pour de nouveaux matériaux pour anode et cathode afin d’améliorer les performances.

Piles minces

Même dans les types de batteries à semi-conducteurs, il existe deux sous-types bien définis: les couches minces et les masses. Le LiPON, que la plupart des fabricants produisent avec une anode en lithium, est l’un des types de film mince les plus populaires sur le marché.

L'électrolyte LiPON offre d'excellents attributs de poids, d'épaisseur et même de flexibilité, ce qui en fait un type de cellule prometteur pour les appareils électroniques portables et les gadgets nécessitant de petites cellules. En ce qui concerne les cellules qui durent plus longtemps, LiPON a également démontré une excellente stabilité avec seulement une réduction de capacité de 5% après 40 000 cycles de charge.

Les batteries LiPON peuvent durer de 40 à 130 fois plus longtemps que les batteries Li-ion avant d'être remplacées.

À titre de comparaison, les batteries lithium-ion n'offrent qu'entre 300 et 1 000 cycles avant d'afficher une baisse de capacité similaire ou supérieure. Cela signifie que les batteries LiPON peuvent durer de 40 à 130 fois plus longtemps que les batteries Li-ion avant d'être remplacées.

L’inconvénient de LiPON est que sa capacité totale de stockage d’énergie et sa conductivité sont plutôt médiocres en comparaison. Cependant, des technologies alternatives de batteries à semi-conducteurs pourraient être la clé pour prolonger la durée de vie de la batterie des smartwatches, ce qui empêche actuellement un certain nombre de clients de se lancer dans le vêtement portable.

Batteries plus grosses et plus volumineuses

Jusqu'à présent, les batteries à l'état solide ne conviennent pas encore pour les cellules plus volumineuses présentes dans les smartphones et les tablettes, sans parler des ordinateurs portables ou des voitures électriques. Pour les batteries à l'état solide plus volumineuses et de plus grande capacité, une conductivité supérieure proche des électrolytes liquides ou équivalente à celle-ci est nécessaire, ce qui exclut des technologies prometteuses comme LiPON. La conduction ionique mesure la capacité des ions à se déplacer à travers un matériau, et une bonne conduction est une exigence des grandes cellules pour assurer le courant requis.

LISICON et LiPS ont dépassé les recherches sur les batteries LiPO, LiS et SiS, les leaders précédents dans le domaine de l'état solide. Cependant, ces types présentent toujours une conductivité inférieure à celle des électrolytes organiques et liquides à la température ambiante, ce qui les rend peu pratiques pour les produits commerciaux.

Très conducteur

C'est ici qu'intervient la recherche sur les électrolytes à oxyde de grenat (LLZO), car il possède une conductivité ionique élevée à la température ambiante.

Le matériau produit une conduction qui n’est que légèrement inférieure aux résultats des cellules lithium-ion liquides, et de nouvelles études sur LGPS suggèrent que ce matériau pourrait même lui correspondre.

Cela signifierait des batteries à l'état solide de puissance et de capacité à peu près égales à celles des cellules Li-ion actuelles, tout en voyant des avantages tels qu'une taille réduite et une durée de vie plus longue devenir une réalité.

Le grenat est également stable dans l'air et dans l'eau, ce qui le rend également adapté aux batteries Li-Air. Malheureusement, il doit être fabriqué en utilisant un processus de frittage coûteux.

Cela en fait actuellement une proposition peu attrayante pour une utilisation dans les piles grand public par rapport au faible coût des piles lithium-ion. À l'avenir, les coûts vont probablement baisser à mesure que les techniques de fabrication seront affinées, mais nous sommes encore loin d'une batterie à semi-conducteurs commercialement viable.

Emballer

Il est clair que de nombreuses recherches sont en cours sur la technologie des batteries à semi-conducteurs. Selon les premières prévisions, nous n'allons pas voir les cellules matures entrer dans des produits de consommation tels que les smartphones avant 4 ou 5 ans. Cependant, les piles à semi-conducteurs d'autres appareils (tels que les drones) peuvent apparaître dès l'année prochaine.

Néanmoins, les dernières recherches aboutissent enfin à des résultats pouvant concurrencer les batteries Li-ion existantes en termes d’attributs, tout en offrant les avantages des électrolytes à l’état solide. Tout ce dont nous avons besoin est que les processus de fabrication mûrissent, et il existe un certain nombre de fabricants de batteries de grande taille et à venir disposant des ressources nécessaires pour que cela devienne une réalité.

En résumé, les avantages clés de toutes ces différences chimiques du point de vue du consommateur sont les suivants: une charge jusqu'à 6 fois plus rapide, une densité d'énergie deux fois supérieure, une durée de vie plus longue de 10 ans au lieu de 2 et l'absence de composants inflammables. C’est certainement une aubaine pour les smartphones et autres gadgets portables.