John Walton/PA Wire/PA Images/AP
Cet article a été initialement publié par Inside Climate News et est reproduit ici dans le cadre de l’ Bureau Climat collaboration.
Chercheurs à Argonne Le National Laboratory et l’Illinois Institute of Technology ont créé une batterie à semi-conducteurs qui pourrait être utilisée pour élargir considérablement la gamme de véhicules électriques, et elle pourrait débloquer la possibilité d’utiliser des batteries sur les avions court-courriers et les camions lourds.
Mais pour l’instant, c’est une cellule de batterie à l’échelle du laboratoire, de la taille d’un centime.
J’ai parlé avec deux des chefs de file de la recherche cette semaine.
« J’étais dubitatif au début », a déclaré Larry Curtiss, chimiste principal à Argonne.
Il travaille au laboratoire depuis plus de 40 ans et sait par expérience que les résultats initiaux pourraient ne pas être reproductibles. Mais lui et ses collègues des deux institutions de la région de Chicago ont découvert que leur travail pouvait être reproduit, avec les résultats publié en février dans la revue Science.
Avant de continuer, voici quelques notions de base sur la batterie :
La plupart des véhicules électriques fonctionnent aujourd’hui sur batteries lithium-ion. Lorsque les batteries sont en charge, les ions circulent d’un côté (la cathode) vers l’autre côté (l’anode), puis s’inversent lors de la décharge. Les ions font ce voyage en passant à travers un électrolyte, qui est un liquide ou un gel.
Dans les batteries à semi-conducteurs, l’électrolyte est solide, souvent un matériau céramique. La batterie globale peut contenir plus d’électricité par unité de masse que les batteries lithium-ion actuelles pour diverses raisons de conception.
Les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries travaillent au développement de batteries à semi-conducteurs. Ils voient le potentiel d’une plus grande autonomie en raison d’une densité d’énergie plus élevée, et les batteries seraient plus sûres car elles sont moins inflammables que les systèmes lithium-ion actuels.
La conception à Argonne et Illinois Tech est une version d’une batterie lithium-air, une catégorie Cela existe depuis environ une décennie, mais n’a pas encore eu de percée commerciale.
Dans cette batterie spécifique, l’anode est faite d’une forme solide de lithium. La partie « air » provient de l’air extérieur qui pénètre par de minuscules trous dans la cathode. L’oxygène de l’air réagit avec les ions lithium qui ont traversé l’électrolyte solide. L’électrolyte est fabriqué à partir d’une combinaison de matériaux céramiques et polymères, un solide qui permet encore le passage des ions.
Pour comprendre ce qui rend cette batterie différente, il est utile de savoir que dans les batteries lithium-air précédentes, chaque molécule d’oxygène réagissait avec un ou deux électrons.
Dans cette nouvelle batterie, chaque molécule d’oxygène réagit avec jusqu’à quatre électrons.
Pensez à cela comme lorsque vous déchargez un coffre rempli de sacs d’épicerie de la voiture. C’est beaucoup plus efficace si vous pouvez transporter quatre sacs à chaque voyage plutôt qu’un ou deux.
Alors, pourquoi les molécules d’oxygène de cette batterie réagissent-elles avec plus d’électrons? C’est compliqué, et les chercheurs sont encore en train de répondre à cette question. Mais la réponse la plus probable est que la combinaison de matériaux aboutit à un environnement qui cajole l’oxygène pour avoir la réaction à quatre électrons.
Les implications réelles de la technologie sont substantielles, avec le potentiel de batteries qui pourraient alimenter un véhicule électrique pendant 1 000 miles sur une seule charge. C’est beaucoup, même par rapport à d’autres conceptions de batteries à semi-conducteurs, et c’est trois à quatre fois plus que la plupart des véhicules électriques actuels.
Mohammad Asadi, ingénieur chimiste à Illinois Tech, était un autre chef de l’équipe qui a développé la batterie et co-auteur de l’article.
« Tout est une question de chimie et de densité énergétique », a-t-il déclaré à propos de ce qui rend cette batterie spéciale.
Pour lui, l’un des aspects les plus passionnants de cette recherche est le potentiel de développement de batteries pour le transport maritime et l’aviation. Ces modes de transport ont besoin de tellement d’énergie que les batteries n’ont pas été pratiques en raison de la taille et du poids considérables qui seraient nécessaires.
En ce qui concerne le potentiel des voitures, la batterie pourrait être utilisée pour les véhicules électriques avec de très longues autonomies, mais je ne vois pas cela comme l’utilisation la plus pratique. Une meilleure utilisation serait d’aider à fabriquer des véhicules électriques qui ont des batteries beaucoup plus petites qu’aujourd’hui, mais qui peuvent toujours avoir une autonomie substantielle. Cela réduirait le poids et le coût d’une voiture.
Mais il s’agit d’une recherche à un stade précoceC’est probablement à une dizaine d’années d’arriver sur le marché, si jamais il arrive sur le marché. L’un des défis initiaux serait de transformer la cellule à l’échelle du laboratoire en un prototype, qui serait environ 100 fois plus grand.
En attendant, les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries ne sont qu’à quelques années de la sortie des premières voitures équipées de batteries à semi-conducteurs.
Toyota a déclaré l’année dernière qu’il aurait une batterie à semi-conducteurs d’ici 2025, mais qu’il serait dans un hybride essence-électricité par opposition à un véhicule entièrement électrique. La décision de ne pas construire de véhicule électrique est un casse-tête, mais elle est conforme à l’affection continue de Toyota pour les hybrides.
Tous les grands constructeurs automobiles travaillent sur des batteries à semi-conducteurs, soit en interne, soit par le biais de partenariats avec des fabricants de batteries tels que QuantumScape et Solid Power. Les plans varient, mais ils indiquent que quelques véhicules électriques avec les batteries seront sur le marché d’ici environ cinq ans et qu’ils en auront beaucoup plus sur le marché au début des années 2030.
Nissan s’est fixé comme objectif il y a deux ans d’augmenter la production de batteries à semi-conducteurs à un rythme pour commencer à vendre un véhicule électrique doté de cette technologie d’ici 2028, et un dirigeant de la société a déclaré le mois dernier que L’entreprise est sur la bonne voie pour atteindre cet objectif.
