Si les véhicules électriques doivent un jour supplanter complètement les véhicules à essence sur les routes du monde, ils auront besoin d’un tout nouveau type de batterie. Malgré les améliorations constantes apportées au cours de la dernière décennie à la densité énergétique et à la durée de vie des batteries au lithium-ion, les cellules des nouveaux VE sont toujours à la traîne des moteurs à combustion interne sur presque toutes les mesures de performance. La plupart des VE ont une autonomie de moins de 300 miles, il faut plus d’une heure pour recharger leurs packs de batteries, les cellules perdent près d’un tiers de leur capacité en une décennie, et elles posent un sérieux risque de sécurité en raison de leurs matériaux inflammables.
La solution à ces problèmes est connue depuis des décennies : Elle s’appelle une batterie à l’état solide, et elle est basée sur une idée faussement simple. Au lieu d’un électrolyte liquide classique – le matériau qui transporte les ions de lithium entre les électrodes – elle utilise un électrolyte solide. En outre, la borne négative de la batterie, appelée anode, est constituée de lithium métal pur. Cette combinaison ferait exploser la densité énergétique de la batterie, permettrait une recharge ultra-rapide et éliminerait le risque d’incendie. Mais depuis 40 ans, personne n’a été capable de fabriquer une batterie à l’état solide qui tienne cette promesse – jusqu’à ce que, au début de l’année, une startup secrète appelée QuantumScape affirme avoir résolu le problème. Aujourd’hui, elle a les données pour le prouver.
Ce mardi, pour la première fois, le cofondateur et PDG de QuantumScape, Jagdeep Singh, a révélé publiquement les résultats des tests de la batterie à l’état solide de la société. M. Singh affirme que la batterie a résolu tous les problèmes fondamentaux qui ont affecté les batteries à semi-conducteurs dans le passé, tels qu’une durée de vie incroyablement courte et un taux de charge lent. Selon les données de QuantumScape, sa cellule peut se charger à 80 % de sa capacité en 15 minutes, elle conserve plus de 80 % de sa capacité après 800 cycles de charge, elle est incombustible et elle a une densité énergétique volumétrique de plus de 1 000 wattheures par litre au niveau de la cellule, soit près du double de la densité énergétique des cellules lithium-ion commerciales de premier ordre.
« Nous pensons que nous sommes les premiers à résoudre l’état solide », a déclaré Singh à WIRED avant l’annonce. « Aucun autre système à semi-conducteurs ne s’en approche. »
La cellule de batterie de QuuantumScape a la taille et l’épaisseur d’une carte à jouer. Sa cathode, ou borne positive, est composée d’oxyde de nickel manganèse cobalt, ou NMC, une chimie courante dans les batteries de VE aujourd’hui. Son électrode négative, ou anode, est constituée de lithium métal pur – mais il est plus exact de dire qu’elle n’a pas d’anode du tout, puisqu’elle est fabriquée sans anode. Lorsque la batterie se décharge pendant son utilisation, tout le lithium passe de l’anode à la cathode. Le vide laissé du côté de l’anode – plus fin qu’un cheveu humain – est temporairement comprimé comme un accordéon. Le processus s’inverse lorsque la batterie est chargée, et les ions de lithium affluent à nouveau dans l’espace anodique.
« Cette conception sans anode est importante car c’est probablement la seule façon dont les batteries lithium-métal peuvent être fabriquées aujourd’hui avec les installations de fabrication actuelles », explique Venkat Viswanathan, ingénieur en mécanique travaillant sur les batteries lithium-métal à l’Université Carnegie Mellon et conseiller technique de QuantumScape. « L’absence d’anode a été un grand défi pour la communauté. »
Mais la clé de la percée de QuantumScape dans le domaine des piles à l’état solide est le séparateur en céramique flexible qui se trouve entre la cathode et l’anode. C’est le matériau qui met le « solide » dans l’état solide. Comme l’électrolyte liquide qui se trouve entre les électrodes d’une pile classique, sa principale fonction est de transporter les ions de lithium d’une borne à l’autre lorsque la pile se charge et se décharge. La différence est que le séparateur solide agit également comme une barrière qui empêche les dendrites de lithium – des vrilles métalliques qui se forment sur les anodes de lithium métal pendant les cycles de charge – de serpenter entre les électrodes et de provoquer un court-circuit.
Venkat Srinivasan, le directeur du Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, a passé près de dix ans à faire des recherches sur les batteries à l’état solide au laboratoire national situé à l’extérieur de Chicago. Selon lui, trouver un matériau séparateur permettant aux ions lithium de circuler librement entre les électrodes tout en bloquant les dendrites a été de loin le plus grand défi. En général, les chercheurs ont utilisé soit un polymère plastique, soit une céramique dure. Bien que les polymères soient le matériau séparateur de choix dans les batteries à électrolyte liquide, ils ne conviennent pas aux piles à l’état solide car ils ne bloquent pas les dendrites. Et la plupart des céramiques utilisées pour les batteries solides expérimentales se sont révélées trop fragiles pour durer plus de quelques dizaines de cycles de charge.
« Ces dendrites sont comme la racine d’un arbre », explique Srinivasan, qui n’a pas participé aux travaux de QuantumScape. « Le problème que nous essayons de résoudre est le suivant : comment empêcher mécaniquement ce système racinaire de se développer avec quelque chose de solide ? Vous ne pouvez pas mettre n’importe quoi, car vous devez alimenter les ions dans les deux sens. Si vous ne faites pas cela, il n’y a pas de batterie. »
Les batteries lithium-ion sont des systèmes complexes, et la raison de leur amélioration laborieuse au fil des ans est que la modification d’une partie d’une cellule a souvent des effets en cascade qui modifient ses performances de manière imprévue. Pour construire une meilleure batterie, les chercheurs doivent systématiquement étudier différents matériaux jusqu’à ce qu’ils trouvent quelque chose qui fonctionne, ce qui peut être une tâche incroyablement longue. Selon M. Singh, il a fallu à QuantumScape 10 ans et 300 millions de dollars en R&D avant de trouver un séparateur à l’état solide qui convienne. Il n’a pas voulu révéler de quoi il est fait – c’est la sauce secrète de la société – mais il affirme que le matériau est bon marché et facilement disponible. Nous n’avons pas eu de révélation divine nous disant : « Ce matériau va marcher, allez le construire », explique M. Singh. « Nous avons dû passer par de nombreuses impasses. Mais la nature a fourni un matériau qui répond aux exigences et, par chance, grâce à notre processus de recherche systématique, nous avons pu le trouver. »
Singh affirme que la batterie de QuantumScape est le type de changement de performance qui fera entrer les VE dans le courant dominant. Il n’est pas le seul à le penser. La société compte Bill Gates et Vinod Khosla parmi ses investisseurs, et plusieurs barons de la batterie, comme le cofondateur de Tesla, J. B. Straubel, siègent à son conseil d’administration. L’un des plus grands bailleurs de fonds de la société est Volkswagen, le plus grand constructeur automobile du monde, qui a investi plus de 300 millions de dollars dans QuantumScape et prévoit de commencer à utiliser les cellules à l’état solide dans certains de ses propres VE dès 2025.
QuantumScape et VW ne sont pas les seules sociétés dans le jeu de la batterie à l’état solide, bien sûr. Toyota développe également une cellule à l’état solide, que les responsables de la société prévoyaient de dévoiler aux Jeux olympiques de Tokyo cette année avant qu’ils ne soient reportés en raison de la pandémie. Comme VW, Toyota prévoit de mettre ses batteries solides sur la route d’ici 2025. Mais plus tôt cette année, Keiji Kaita, vice-président de la division des groupes motopropulseurs de Toyota, a déclaré à la publication spécialisée Automotive News que l’entreprise devait encore améliorer la durée de vie limitée de la batterie. Les représentants de Toyota n’ont pas répondu à la demande de commentaires de WIRED.
Une startup de six ans appelée Solid Power a également fabriqué une cellule à l’état solide fonctionnelle et a commencé à produire des prototypes de batteries avec 10 couches empilées dans une usine pilote au Colorado. Comme QuantumScape, ces piles ont une anode en lithium-métal et un électrolyte céramique à l’état solide. L’électrolyte de Solid Power est à base de sulfure, une chimie qui est souhaitable pour les batteries à l’état solide en raison de sa haute conductivité et de sa compatibilité avec les processus de fabrication existants. L’entreprise a conclu des partenariats avec un certain nombre de constructeurs automobiles, dont Ford, BMW et Hyundai, mais ses dirigeants ne s’attendent pas à voir leurs cellules sur la route avant 2026 en raison du long processus de qualification automobile. Solid Power n’a pas encore publié de données sur sa cellule, mais l’entreprise devrait dévoiler une cellule plus grande et publier ses données de performance pour la première fois ce jeudi.
« Le paysage concurrentiel des batteries à l’état solide est de plus en plus encombré en raison de l’énorme potentiel qu’elles ont pour permettre l’électrification des véhicules », déclare Doug Campbell, PDG de Solid Power. « Cela conduit finalement à des VE avec une plus grande autonomie, une plus grande fiabilité et un coût plus faible. »
Les données de performance de QuantumScape sont impressionnantes, mais elles sont accompagnées d’une mise en garde importante. Toutes les données de test ont été générées dans des cellules individuelles qui, techniquement parlant, ne sont pas des batteries complètes. La cellule mince dévoilée par QuantumScape est destinée à être empilée avec une centaine d’autres pour former une cellule complète de la taille d’un jeu de cartes. L’alimentation d’un véhicule électrique nécessitera des centaines de ces batteries empilées, mais jusqu’à présent, la société n’a pas testé de cellule entièrement empilée.
La mise à l’échelle d’une batterie à partir d’une sous-unité d’une seule cellule jusqu’à une cellule complète et finalement jusqu’à un pack de batteries complet peut créer beaucoup de problèmes, dit Srinivasan. Lorsque les batteries sont fabriquées en petits lots, il est plus facile d’éliminer les défauts qui apparaissent au cours du processus de production. Mais lorsque vous commencez à fabriquer des batteries à grande échelle, il peut être difficile de contrôler les défauts, qui peuvent rapidement saper les performances d’une batterie. « Même si un matériau peut sembler très prometteur à petite échelle, ces défauts peuvent devenir un problème plus important lors de la mise à l’échelle », explique M. Srinivasan. « Le fonctionnement dans le monde réel est très différent du fonctionnement à l’échelle du laboratoire. »
Jeff Sakamoto, ingénieur mécanicien spécialisé dans le stockage de l’énergie à l’Université du Michigan, qui n’a pas participé à QuantumScape, est d’accord. Selon lui, il existe encore des lacunes importantes dans les connaissances sur les propriétés mécaniques fondamentales des batteries lithium-métal à l’état solide, ce qui pourrait créer des problèmes lorsqu’il s’agira de commercialiser cette technologie. Il cite l’exemple du premier avion commercial de transport de passagers au monde, le Comet de Havilland, qui a connu une fin tragique, pour illustrer les conséquences du lancement d’une technologie avant que ses propriétés matérielles ne soient complètement comprises. Peu de temps après avoir pris son envol, le Comet a connu plusieurs ruptures en vol catastrophiques parce que les ingénieurs n’avaient pas bien compris le processus de dégradation des métaux utilisés dans sa coque. Bien que les enjeux soient un peu moins importants pour les piles à l’état solide que pour les jets commerciaux – les batteries sont, après tout, conçues pour être ultrasécurisées – une batterie qui arrive sur le marché et connaît des problèmes de performance inattendus pourrait ralentir l’électrification des transports.
« Je suis étonné de voir à quel point on en sait peu sur le comportement mécanique du lithium métal et comment la physique du lithium affecte la faisabilité des batteries à l’état solide », déclare Sakamoto. « Je ne sais pas dans quelle mesure ces lacunes dans les connaissances affecteront l’adoption généralisée des batteries solides au lithium-métal. Mais plus nous en saurons sur le comportement fondamental, meilleure sera la transition vers une adoption à grande échelle. »
Singh ne se laisse pas impressionner par les défis que QuantumScape doit relever avant que ses batteries ne sortent du laboratoire et n’entrent dans une voiture. En ce qui le concerne, la société a résolu les problèmes scientifiques fondamentaux qui ont entravé la commercialisation d’une batterie à l’état solide. « Je ne veux pas banaliser le travail qu’il reste à faire », déclare M. Singh. « Mais la question n’est pas de savoir si cela va fonctionner ou non. C’est une question d’ingénierie. »
En début d’année, QuantumScape est entrée en bourse par le biais d’une société d’acquisition spéciale et a ajouté environ 700 millions de dollars à son bilan déjà conséquent. Selon M. Singh, l’entreprise dispose désormais de plus d’un milliard de dollars dans son trésor de guerre, ce qui est plus que suffisant pour la mener à la production. Il semble impossible que l’entreprise échoue, mais c’est aussi ce que les investisseurs ont pensé d’A123 Systems et d’Envia Systems, deux entreprises qui ont levé d’énormes sommes d’argent auprès des constructeurs automobiles traditionnels avec la promesse d’une batterie de VE qui changerait la donne – pour finalement s’effondrer lorsque les performances de leurs cellules n’ont pas répondu aux attentes. QuantumScape pourrait très bien devenir la première startup à livrer une batterie solide commerciale, mais l’entreprise a encore un long chemin à parcourir.
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