Une plus grande autonomie avec le même poids : la batterie au silicium réussit les essais en laboratoire

Une avancée majeure dans la recherche sur les batteries a permis aux cellules à film dotées d’anodes riches en silicium de résister à plus de 1 000 cycles de test sans que leur capacité ne descende en dessous de 80 %. Nous examinons les paramètres jouant un rôle clé ainsi que ce que cette progression pourrait signifier pour les véhicules électriques.

Image : Fraunhofer ISE

Les chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire (ISE) ont réussi à faire fonctionner une cellule de type pochette autofabriquée de 25 Ah, dotée d’anodes riches en silicium, pendant plus de 1 000 cycles complets dans le cadre du projet « StrOboBatt ». Après ces essais, la cellule a conservé plus de 83 % de sa capacité initiale. Cette réalisation constitue une étape importante dans le développement des batteries : 1 000 cycles complets avec au moins 80 % de conservation de la capacité sont considérés comme l’exigence minimale pour une utilisation commerciale.

Silicium : haute densité énergétique, mais dilatation extrême

La cellule à poche se distingue par son anode riche en silicium, ce qui permet une densité énergétique plus élevée par rapport aux anodes en graphite conventionnelles. Cependant, le silicium n’a pas encore été largement adopté comme matériau d’anode, car son volume augmente de jusqu’à 300 % (quadruplant) lors du chargement en raison de l’absorption d’ions lithium, puis diminue à nouveau lors du déchargement. Ce mouvement important entraîne une perte de contact électrique au sein de l’électrode et accélère la décomposition de l’électrolyte. En conséquence, la cellule se détériore trop rapidement pour être utilisée dans la pratique. En comparaison, le graphite ne s’agrandit que d’environ 10 à 12 %.

Afin de réduire la contrainte mécanique causée par cette expansion extrême, les chercheurs de Fraunhofer ISE ont utilisé un composite silicium-carbone, qui représente 51 % du matériau actif de l’anode. Associé à un cathode riche en nickel, la cellule de type poche a été produite sur une ligne pilote à échelle industrielle.

La pression et les dynamiques de charge sont des facteurs clés

En laboratoire, les prototypes de cellules batterie ont également été soumis à une pression axiale de 1 000 kilopascals (environ 10 bars) pendant la charge et la décharge. Malgré le mouvement du matériau, le contact entre les électrodes est resté stable. Cependant, à une pression plus faible de 300 kilopascals (environ 3 bars), la capacité utilisable a diminué beaucoup plus rapidement. Ainsi, la pression mécanique externe s’est avérée être un paramètre décisif.

Les essais menés dans des conditions réelles dynamiques ont également montré que la capacité utilisable diminue plus rapidement à des niveaux de puissance élevés qu’au cours de cycles d’essai doux. Cela offre une perspective importante pour leur utilisation future dans les véhicules électriques, dont les systèmes de gestion des batteries doivent tenir compte de ce facteur.

Les cellules testées ont atteint une densité énergétique gravimétrique de 280 Wh/kg. Cependant, Fraunhofer ISE affirme qu’une production en série optimisée sur le plan industriel pourrait atteindre environ 330 Wh/kg. Une batterie de 330 Wh/kg représenterait une augmentation d’environ 20 à 35 % par rapport aux cellules NMC et NCA actuelles, ainsi que presque le double de la densité énergétique des cellules LFP.

Matières premières européennes pour une plus grande autonomie

En pratique, cela signifie qu’un véhicule électrique pourrait disposer d’une capacité de stockage de près de 100 kWh au lieu des environ 75 kWh actuels pour un poids de batterie identique. Cela permettrait d’augmenter l’autonomie réelle d’un véhicule de taille moyenne de environ 450 km à bien plus de 600 km.

En plus de cette augmentation de l’autonomie, cette technologie offre un avantage stratégique pour le secteur industriel. Étant donné que le graphite est actuellement importé principalement en dehors de l’Europe, une utilisation accrue de composites au silicium permet un transfert partiel de la création de valeur des matières premières vers l’Europe, puisque le silicium peut être obtenu et produit de manière synthétique au niveau régional.