Batteries à semi-conducteurs (SSB) Les batteries à semi-conducteurs sont en train de devenir la solution de stockage d'énergie de nouvelle génération, offrant des améliorations significatives par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles. Avec la promesse d'une densité énergétique plus élevée, d'une sécurité renforcée et d'une durée de vie plus longue, les batteries à semi-conducteurs attirent de plus en plus l'attention d'un large éventail d'industries, des véhicules électriques (VE) à l'aérospatiale et aux appareils médicaux. Dans cet article, nous explorons les fondamentaux des batteries à semi-conducteurs, l'état actuel du marché, les défis technologiques, les perspectives et leur impact sur diverses industries.

Qu'est-ce qu'une batterie à semi-conducteurs ?

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées comme sources d'énergie pour les transports en raison de leur longue durée de vie et de leur densité énergétique élevée. Cependant, ces dernières années, des incidents de sécurité liés aux batteries lithium-ion se sont produits fréquemment.

La principale raison de ces incidents est que les batteries lithium-ion liquides traditionnelles utilisent des solvants organiques comme électrolytes. La plupart des électrolytes courants contiennent des substances hautement inflammables, qui peuvent entraîner des risques d'incendie, de combustion spontanée et même d'explosion. Pour répondre à ces problèmes de sécurité, les chercheurs et les professionnels du secteur se sont tournés vers les batteries à semi-conducteurs, qui remplacent les électrolytes liquides par des électrolytes solides non inflammables, améliorant ainsi considérablement la sécurité des batteries.

Les batteries lithium-ion peuvent être classées en deux types principaux en fonction de leurs électrolytes : les batteries au lithium liquide et les batteries à l'état solide. Les batteries à l'état solide comprennent les batteries semi-solides, quasi-solides et entièrement solides. Les batteries semi-solides agissent comme une étape de transition entre les batteries liquides et entièrement solides. La commercialisation des batteries semi-solides offre une période tampon, permettant le développement précoce d'une chaîne d'approvisionnement de batteries entièrement solides. À mesure que la technologie progresse, les batteries hybrides solide-liquide réduiront progressivement la teneur en électrolyte liquide, pour finalement aboutir à une technologie de batterie entièrement solide.

Catégories de batteries lithium-ion

Bien qu’il existe des normes mondiales, différents codes et politiques sont prioritaires selon les régions, ce qui entraîne souvent des retards dans le commerce international des batteries.

1. Batteries au lithium liquide

Contient uniquement des électrolytes liquides sans électrolytes solides. Comprend les batteries lithium-ion liquide et les batteries lithium-métal liquide.

2. Batteries au lithium à électrolyte gélifié

Sous-type de batteries lithium-ion liquides dont l'électrolyte est sous forme de gel. Ne contient pas d'électrolyte solide.

3. Batteries semi-solides

Contient des électrolytes solides et liquides, avec une proportion plus élevée d'électrolytes liquides. En général, l'électrolyte liquide représente 5 à 10 % de la composition totale de la batterie.

4. Batteries quasi-solides

Ils présentent une proportion plus élevée d'électrolyte solide tout en contenant une petite quantité d'électrolyte liquide. La teneur en électrolyte liquide est généralement comprise entre 0 et 5 %.

5. Batteries hybrides lithium solide-liquide

Contient un mélange d'électrolytes liquides et solides. Les batteries semi-solides et quasi-solides appartiennent à cette catégorie.

6. Batteries entièrement à semi-conducteurs

Construites entièrement avec des électrodes et des électrolytes solides. Ne contiennent aucun électrolyte liquide à aucune température. Parfois appelées « batteries au lithium à électrolyte entièrement solide ». Si elles sont rechargeables, elles peuvent être classées comme « batteries secondaires au lithium entièrement solides ».

Les batteries à l'état solide ont une structure plus simple que les batteries à base de liquide traditionnelles. L'électrolyte solide conduit non seulement les ions lithium, mais sert également de séparateur. Dans les batteries entièrement à l'état solide, il n'y a pas besoin d'électrolytes liquides, de sels électrolytiques, de séparateurs ou de matériaux adhésifs comme le polyfluorure de vinylidène (PVDF), ce qui simplifie considérablement le processus de construction de la batterie.

Comment fonctionne une batterie à semi-conducteurs ?

Le principe de fonctionnement des batteries à l'état solide est similaire à celui des batteries à liquide. Lors de la charge, les ions lithium sont extraits du réseau cristallin du matériau actif de la cathode et migrent vers l'anode à travers l'électrolyte solide, tandis que les électrons se déplacent vers l'anode via un circuit externe. À l'anode, les ions lithium et les électrons se recombinent pour former des atomes de lithium, s'allient au matériau de l'anode ou s'y incrustent. Le processus de décharge est l'exact opposé de la charge, les électrons circulent à travers le circuit externe pour alimenter les appareils électroniques.

Comparaison des propriétés des batteries au lithium liquide, des batteries semi-solides et des batteries solides.

Quels sont les avantages des batteries à l’état solide ?

Les batteries à semi-conducteurs offrent plus de sécurité

Les batteries lithium-ion traditionnelles, qui utilisent des électrolytes organiques inflammables, peuvent présenter des risques tels que la surchauffe, l'auto-inflammation ou même l'explosion en cas de surcharge ou de court-circuit interne. En revanche, la plupart des électrolytes solides sont résistants aux températures élevées et ininflammables, ce qui réduit considérablement le risque d'incendie ou d'explosion de la batterie. Cependant, il est important de noter qu'aucune batterie ne peut être considérée comme absolument sûre d'un point de vue thermodynamique. La sécurité réelle d'une batterie est influencée par divers facteurs, notamment les matériaux de l'électrolyte et des électrodes, le contrôle qualité pendant la fabrication et le système de gestion de la batterie (BMS). Si les électrolytes solides améliorent considérablement la sécurité au niveau fondamental, le contrôle qualité pendant la production et l'efficacité du BMS restent cruciaux.

Batteries à semi-conducteurs à densité énergétique plus élevée

Les batteries semi-solides offrent une densité énergétique plus élevée que les batteries liquides traditionnelles. Des entreprises comme Weilan New Energy et Guoxuan High-Tech ont développé des batteries semi-solides avec une densité énergétique de 360 ​​Wh/kg. Les électrolytes solides ont généralement une fenêtre électrochimique plus large, ce qui permet une compatibilité avec des matériaux de cathode plus haute tension (tels que les cathodes à haute teneur en nickel et les cathodes spinelles nickel-manganèse). De plus, la tension plus élevée et la meilleure sécurité des batteries solides permettent un système de gestion de batterie (BMS) plus simple, améliorant encore la densité énergétique du système de batterie utilisé dans les véhicules électriques (VE).

Les batteries à semi-conducteurs offrent des temps de charge ultra-rapides

Selon des études récentes, les batteries à semi-conducteurs peuvent se charger jusqu'à six fois plus vite que les technologies commerciales actuelles. Cependant, ce chiffre varie en fonction des progrès et de l'optimisation de la nouvelle technologie par les développeurs. Des prototypes de batteries à semi-conducteurs offrant des vitesses de charge très élevées existent déjà. Pourtant, ils compromettent souvent considérablement d'autres paramètres de performance importants, tels que la densité énergétique, la durée de vie et la sécurité. Pour déterminer la meilleure alternative, il faut mettre en balance cet avantage et d'autres caractéristiques essentielles que ces batteries doivent posséder, notamment leur coût.  

Jusqu'à présent, les électrolytes liquides se dégradent à haute température, tandis que les électrolytes solides fonctionnent mieux sous l'effet de la chaleur. Cet avantage inhérent suggère que les batteries à l'état solide peuvent maintenir des performances plus élevées pendant les cycles de charge rapide, où la génération de chaleur est généralement plus élevée.  

De plus, les chercheurs travaillent à améliorer la conductivité ionique des électrolytes solides pour optimiser davantage les vitesses de charge sans sacrifier la sécurité ou la durabilité.

Les batteries à semi-conducteurs permettent des conceptions de groupement plus flexibles

Les fabricants peuvent regrouper les batteries à semi-conducteurs selon une configuration interne en série. En connectant les électrodes de la batterie en série à l'intérieur de la cellule, cette conception augmente la tension d'une batterie, l'égalisant ainsi à celle de plusieurs cellules connectées en série. Cette configuration interne en série réduit le besoin de boîtiers supplémentaires et améliore l'efficacité du processus de regroupement.

Les batteries à semi-conducteurs pourraient faire progresser la technologie des batteries des véhicules électriques

Au-delà de la sécurité et de la densité énergétique, les systèmes de batteries pour véhicules électriques nécessitent de nombreuses autres caractéristiques, telles qu'une longue durée de vie, une large plage de températures de fonctionnement, une résistance à la compression et aux vibrations. Les batteries à semi-conducteurs pourraient répondre à ces exigences des manières suivantes :

• Densité d'énergie élevée : Des composés à haute densité énergétique et des matériaux à base de soufre pourraient être utilisés comme cathodes.
• Densité énergétique volumique élevée : Des électrolytes à couche mince denses et des cathodes à haute densité pourraient être utilisés.
• Longue durée de vie: En contrôlant l'expansion du volume de l'anode et de la cathode et en maintenant un contact d'interface stable, des technologies telles que les électrodes composites et les interfaces flexibles ou de type gel peuvent améliorer la durée de vie du cycle.
• Large plage de température: Des conducteurs superioniques, des hybrides solide-liquide et des techniques avancées de gestion thermique pourraient aider la batterie à fonctionner à des températures allant de -70°C à 150°C.
• Résistance à la compression améliorée : Des électrodes composites lithium-métal non pulvérulentes et des électrolytes solides non oxydants et non inflammables pourraient améliorer la résistance à la perforation.
• Meilleure résistance aux vibrations : L’intégration de matériaux flexibles ou de systèmes d’absorption des chocs pourrait améliorer la tolérance aux vibrations.
• Réduction des coûts et production de masse : En améliorant la densité énergétique et la durée de vie des batteries, celles-ci peuvent utiliser des matières premières facilement disponibles, ce qui simplifie la fabrication. Les couches d'électrode et d'électrolyte sont plus faciles à traiter, ce qui permet une production plus rapide des cellules.

Exigences de base pour les applications de batteries et idées de solutions possibles pour les batteries à semi-conducteurs

Prix: Le coût des cellules de batterie semi-solides devrait être de 0.5729 RMB/Wh lors de la production à grande échelle, ce qui est légèrement inférieur au coût de 0.5766 RMB/Wh des cellules de batterie liquides. Bien que les composants des batteries semi-solides soient fabriqués à partir de matériaux conventionnels, ce qui les rend moins chers que les batteries liquides, les exigences de contrôle environnemental plus élevées lors de la fabrication augmentent légèrement les coûts de production.

Comparaison des coûts : batteries semi-solides et batteries liquides

Existe-t-il des batteries à semi-conducteurs commerciales ?

Bien que les batteries à l’état solide soient encore en phase de développement, plusieurs entreprises ont fait des progrès significatifs vers la commercialisation. Actuellement, la plupart des applications de batteries à l’état solide se limitent aux prototypes et à la production à petite échelle plutôt qu’aux produits grand public. Cependant, les leaders du secteur et les startups font des progrès prometteurs.

La conférence annuelle 2025 « China All-Solid-State Battery Industry-Academia-Research Collaborative Innovation Platform » et le 2e China All-Solid-State Battery Innovation Summit Development Forum se sont tenus à Pékin du 15 au 16 février. Le forum a réuni de nombreux experts de l'industrie et représentants d'entreprises pour discuter des dernières avancées et perspectives de la technologie des batteries entièrement solides.  

Wang Deping, scientifique en chef de China First Automobile Works (FAW) et directeur du laboratoire national clé d'intégration et de contrôle des véhicules haut de gamme de l'Institut de recherche et développement de FAW (Division de gestion de l'innovation scientifique et technologique), a prononcé un discours liminaire. Il a révélé que FAW se consacrait à la recherche sur les batteries entièrement solides depuis 2014, en se concentrant sur les exigences des véhicules. FAW prévoit de commencer les applications à petite échelle des batteries entièrement solides en 2027.  

Perspectives industrielles de l'académicien Ouyang Minggao  

La station de recherche de l'académicien Ouyang Minggao prévoit que la production de masse de batteries entièrement solides débutera en 2030, avec une production pilote lancée dès 2027. La production totale de l'industrie devrait dépasser 100 milliards de yuans (environ 14 milliards de dollars) d'ici 2030.  

Le projet de BYD pour des batteries entièrement à semi-conducteurs  

BYD vise à lancer la production à petite échelle de batteries entièrement solides à base de sulfure d'ici 2027 et prévoit de les intégrer dans les véhicules électriques grand public d'ici 2030.  

Progrès réalisés par CATL dans le domaine des batteries à semi-conducteurs  

Wu Kai, scientifique en chef chez CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.), a déclaré précédemment que la technologie de batterie entièrement solide de la société se situait actuellement à un niveau de 4 sur 10. L'objectif de CATL est d'atteindre un niveau de 7 à 8 d'ici 2027, ce qui permettrait une production à petite échelle.  

La stratégie en deux phases d'EVE Energy  

EVE Energy a présenté une stratégie en deux étapes pour le développement de batteries entièrement solides :  

2026 : Réaliser des avancées technologiques  

2028 : réaliser des percées technologiques complètes et lancer des batteries entièrement solides à haute densité énergétique de 400 Wh/kg  

Passer à la haute technologie et les projets de batteries à semi-conducteurs de Changan Auto  

Vers la haute technologie : des projets visant à lancer des tests à petite échelle de batteries à semi-conducteurs sur des véhicules en 2027 et à atteindre la production de masse d'ici 2030.  

Changan Auto : Objectif : introduire huit cellules de batterie développées par ses soins d'ici 2030, couvrant les batteries liquides, semi-solides et solides.  

Alors que les principaux constructeurs automobiles et fabricants de batteries accélèrent leurs efforts de recherche et développement dans le domaine des batteries à semi-conducteurs, 2027 s’annonce comme une année charnière pour la production à petite échelle, 2030 marquant le début de la commercialisation à grande échelle. Ces développements amélioreront les performances, la sécurité et la densité énergétique des véhicules électriques, ouvrant la voie à la prochaine génération de technologie de batterie.

Les quatre principaux défis des batteries à semi-conducteurs

Défis techniques

Optimisation des performances des électrolytes solides    

• Conductivité ionique insuffisante :  

La conductivité ionique des électrolytes solides actuels est généralement inférieure à celle des électrolytes liquides, en particulier à température ambiante. Cela entraîne des taux de charge et de décharge plus lents, ce qui affecte les performances énergétiques de la batterie et rend difficile de répondre aux exigences des applications à haute puissance, telles que la charge rapide et l'accélération rapide des véhicules électriques. Par exemple, les électrolytes solides à base d'oxyde ont généralement une conductivité plus faible, ce qui limite leur application dans les batteries hautes performances.  

• Problèmes de stabilité :  

Certains électrolytes solides peuvent subir des modifications structurelles ou une décomposition pendant le fonctionnement de la batterie, ce qui affecte la stabilité à long terme et la durée de vie du cycle. Par exemple, les électrolytes solides à base de sulfure sont très sensibles à l'air et peuvent réagir avec l'humidité et l'oxygène, produisant du gaz de sulfure d'hydrogène toxique. Cela complique non seulement la fabrication et le stockage, mais soulève également des problèmes de sécurité.  

• Défis d'interface :  

L'un des plus grands défis des batteries à l'état solide est le mauvais contact entre les électrodes et les électrolytes solides. En raison de la nature rigide des électrolytes solides, la zone de contact entre l'électrode et l'électrolyte est relativement petite, ce qui entraîne une résistance interfaciale élevée. Cela réduit l'efficacité de charge/décharge et entraîne des contraintes d'interface pendant le cyclage, ce qui peut provoquer un délaminage et un détachement, dégradant ainsi les performances et la durée de vie de la batterie.  

Compatibilité des matériaux d'électrodes

• Compatibilité des matériaux d'électrodes

Dans les batteries à l'état solide, les matériaux de la cathode doivent être hautement compatibles avec les électrolytes solides tout en offrant une capacité spécifique élevée et de bonnes performances de débit. Cependant, les matériaux de cathode couramment utilisés peuvent subir des réactions chimiques ou une dégradation structurelle lorsqu'ils sont associés à des électrolytes solides, ce qui a un impact négatif sur les performances de la batterie.

• Matériaux d'anodes :  

Les anodes à base de silicium ont une capacité théorique exceptionnellement élevée, ce qui en fait un choix idéal pour les batteries à semi-conducteurs. Cependant, le silicium subit une expansion volumique massive (jusqu'à 300 %) pendant la charge et la décharge, ce qui peut entraîner des fissures au niveau des électrodes et des défaillances structurelles, réduisant ainsi la durée de vie de la batterie.

Les anodes en lithium métal offrent une densité énergétique encore plus élevée, mais elles sont confrontées à la formation de dendrites de lithium, qui peuvent percer l'électrolyte solide, provoquant des courts-circuits et de graves risques de sécurité.

Défis du processus de fabrication  

Fabrication de membranes électrolytiques solides:La production de membranes électrolytiques solides de haute qualité, uniformes et d'épaisseur contrôlée avec précision est une étape cruciale dans la fabrication de batteries à l'état solide. Les méthodes de fabrication actuelles, telles que le traitement sol-gel, la pulvérisation cathodique magnétron et le pressage à froid, sont confrontées à des défis tels que des procédures complexes, des coûts élevés et une faible efficacité de production, ce qui rend difficile la mise à l'échelle pour la production de masse.

Processus d'assemblage de la batterie:L'assemblage des batteries à l'état solide doit être réalisé dans un environnement sec et exempt d'oxygène, ce qui impose des exigences extrêmement élevées aux équipements et aux processus de production. Les équipements et techniques d'assemblage de batteries lithium-ion traditionnels ne peuvent pas être directement appliqués à la fabrication de batteries à l'état solide, ce qui nécessite des modifications et des optimisations de processus importantes, ce qui augmente à son tour les coûts et la complexité de la production.  

Technologie de densification continue ：La densification continue des couches d'électrode et d'électrolyte solide est essentielle pour améliorer à la fois les performances des batteries et l'efficacité de la production. Cependant, les technologies actuelles sont toujours confrontées à des défis pour assurer une densification uniforme et sans défaut, ce qui reste un goulot d'étranglement affectant le rendement et l'efficacité des lignes de fabrication de batteries à semi-conducteurs.  

Défis liés aux coûts  

Coûts élevés des matières premières:Les matériaux utilisés dans les batteries à l'état solide, tels que les électrolytes solides et les matériaux d'électrodes haute performance, ont des coûts de production plus élevés que ceux des batteries lithium-ion traditionnelles. Par exemple :

• Les électrolytes solides à base de sulfure nécessitent des matières premières coûteuses et des processus de synthèse complexes, ce qui maintient leurs coûts relativement élevés.  
• Les anodes en lithium métal ont des coûts de production importants, et l’offre limitée de ressources en lithium peut encore restreindre leur adoption à grande échelle.  

Coûts d'équipement et de production élevés :  Les procédés de fabrication des batteries à l'état solide étant très différents de ceux des batteries lithium-ion traditionnelles, de nouveaux équipements de production et des lignes de fabrication spécialisées doivent être développés. Cela entraîne une augmentation substantielle des investissements en capital. De plus, pour maintenir l'environnement de production sec et sans oxygène requis, les fabricants doivent également installer des équipements et installations auxiliaires spécialisés, ce qui augmente encore les coûts de production globaux.

Défis de coordination de la chaîne industrielle  

Chaîne industrielle sous-développée : L'industrie des batteries à semi-conducteurs en est encore à ses débuts et il existe un manque de collaboration efficace entre les entreprises en amont et en aval. Par exemple :  

• Le manque de communication et de coopération entre les fournisseurs de matériaux d’électrolyte solide et les fabricants de batteries se traduit par des matériaux qui ne répondent pas aux exigences de qualité de production et de performance.

• La faible intégration technique entre les fournisseurs d’équipements de fabrication et les producteurs de batteries entrave le développement et l’optimisation des équipements de production, ralentissant ainsi le progrès industriel.  

Manque de normes et de réglementations: Actuellement, la technologie des batteries à semi-conducteurs ne repose pas sur des normes et réglementations industrielles bien établies, ce qui rend difficile l'évaluation de la qualité des produits, la réalisation de tests de performance et la certification de sécurité. Cette lacune freine également la commercialisation à grande échelle et l'adoption généralisée des batteries à semi-conducteurs sur le marché.

Les batteries à semi-conducteurs sont très prometteuses pour l’avenir du stockage d’énergie, avec une sécurité, des performances et une efficacité supérieures à celles des batteries lithium-ion traditionnelles. Bien que des défis subsistent, les progrès continus dans les matériaux, la fabrication et la réduction des coûts rapprochent cette technologie révolutionnaire de la réalité commerciale. Les principaux acteurs de l’industrie investissant massivement dans la R&D, les batteries à semi-conducteurs sont sur le point de transformer le paysage des véhicules électriques, des appareils médicaux et de l’électronique haute performance au cours de la prochaine décennie. 

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