Le troisième sommet chinois sur l’innovation des batteries à semi-conducteurs à Pékin, au début du mois, a mis en lumière les défis à l’échelle de l’industrie, le professeur Xia Dingguo de l’Université de Pékin notant que la densité énergétique, principalement déterminée par la cathode, reste critique et que l’innovation en matière de cathode, plutôt que les percées en matière d’électrolytes, est essentielle pour faire passer les batteries à semi-conducteurs des laboratoires à la production commerciale, comme le rapporte Autohome.
Le regain d’intérêt pour les batteries à semi-conducteurs est lié à deux facteurs principaux : des améliorations substantielles des capacités globales de recherche depuis les années 1990 et la demande croissante d’une densité énergétique plus élevée, d’une sécurité et d’une optimisation des matériaux dans les applications des véhicules électriques. Les batteries à semi-conducteurs devraient atteindre une densité énergétique élevée, une sécurité, une longue durée de vie et un faible coût, mais sans percées dans la technologie des cathodes, leur importance industrielle est limitée.
Les défis actuels se concentrent sur la stabilité des interfaces et la compatibilité des matériaux. Les expériences avec des cathodes à haute teneur en nickel démontrent une stabilité thermique améliorée mais comportent des risques de sécurité dans des conditions de courant ou de tension élevées en raison de la polarisation locale, de la formation d’une couche à haute impédance et d’une éventuelle dégradation des performances. Le dopage au fluor peut stabiliser temporairement le cyclage, mais la dégradation s’accélère au-delà d’environ 125 cycles. Les matériaux cathodiques cristallins sont anisotropes et même de petits changements de volume peuvent concentrer les contraintes aux interfaces, limitant ainsi la durée de vie.
La compatibilité des matériaux limite encore davantage l’adoption commerciale. Différents électrolytes solides, notamment les chlorures, les sulfures et les oxydes, présentent des modules et un comportement d’interface variables. Les oxydes sont trop rigides ; les sulfures et les chlorures nécessitent souvent une pression appliquée, ce qui complique la fabricabilité. Pour relever ces défis, il faudra des électrolytes à faible module et à interface conviviale ou des polymères optimisés capables de larges fenêtres de tension et d’une conductivité élevée.
Les principaux fabricants chinois de batteries, notamment CATL, BYD et Eve Energy, ont commencé le développement intégré de systèmes cathodiques et électrolytiques, créant des protections par brevet tout en optimisant les performances des cellules. Les progrès dans les électrodes sèches, le co-frittage et le frittage à froid permettent en outre une production évolutive et réduisent le recours à des processus de revêtement complexes.
À l’avenir, l’industrie devrait suivre diverses voies pour différentes applications : véhicules électriques haut de gamme dotés d’électrolytes polymères et de cathodes à haute teneur en nickel ou en lithium ; des véhicules électriques grand public axés sur les systèmes LiFePO4, mettant l’accent sur la sécurité et le coût ; et des applications spécialisées explorant les électrolytes sulfurés associés à des cathodes de soufre.
Le sommet a conclu que l’innovation en matière de matériaux cathodiques constitue le « nez de bœuf » des batteries industrielles à semi-conducteurs. Les électrolytes restent importants, mais la densité énergétique, le coût et la stabilité dépendent fondamentalement du développement de la cathode. L’avenir nécessitera des progrès sur deux voies en matière d’innovation matérielle et de fabrication technique pour assurer le leadership de la Chine dans le secteur mondial des batteries à semi-conducteurs.