Les cellules au silicium atteignent plus de 1 000 cycles et permettent des batteries à une autonomie accrue.

Faire en sorte qu’une voiture électrique parcourre plus de kilomètres ne devrait pas toujours dépendre de l’installation d’une batterie plus grande et plus lourde. L’un des moyens d’y remédier consiste à augmenter la densité énergétique. C’est là que le silicium suscite depuis longtemps de l’intérêt, bien qu’il pose également un problème difficile à résoudre : maintenir ses performances après de nombreuses charges et décharges.

L’institut allemand Fraunhofer ISE a fait un pas dans cette direction dans le cadre du projet StrOboBatt. Ses chercheurs ont développé des cellules de type poche, dotées d’une capacité de 25 Ah et d’anodes riches en silicium, qui ont réussi à effectuer plus de 1 000 cycles complets tout en conservant plus de 83 % de leur capacité initiale. Un résultat important pour une technologie dont le potentiel énergétique a longtemps été limité par sa dégradation.

Un cycle complet ne correspond pas à une simple mise sous tension de la voiture. Il signifie charger et décharger une quantité d’énergie équivalente à toute la capacité de la batterie, ce qui peut être atteint grâce à plusieurs charges partielles. C’est pourquoi ce type d’essai permet d’étudier la résistance à l’usage, bien qu’il ne détermine pas à lui seul combien d’années ou de kilomètres durera une batterie installée dans une voiture.

Le silicium permet de stocker plus d’énergie, mais exige un contrôle de son expansion

L’attrait du silicium réside dans sa capacité à stocker du lithium, bien supérieure à celle du graphite habituellement utilisé dans les électrodes positives. Le problème apparaît lors de la charge : son volume peut augmenter jusqu’à 300 %, pour ensuite se contracter lors de la décharge. Répéter ce mouvement soumet l’électrode à une contrainte considérable, ce qui peut endommager ses connexions internes et favoriser des réactions accélérant son vieillissement.

Afin de réduire ces problèmes, les chercheurs ont utilisé un matériau composé de silicium et de carbone, associé au graphite. Ce mélange représente 51 % du matériau actif de l’électrode positive, ce qui est une précision importante : cela ne signifie pas que la moitié de l’électrode soit du silicium pur. L’ensemble est combiné à un cathode NMC riche en nickel.

L’un des aspects décisifs de l’essai a été la pression exercée sur les cellules. Avec une pression externe d’environ 10 bars, le comportement à long terme était meilleur que celui observé avec environ 3 bars. Maintenir le contact entre les matériaux aide à limiter les conséquences de leurs variations de volume, de sorte que la structure qui retient les cellules fait également partie du défi.

Cela a une conséquence pratique pour les fabricants. Il ne suffit pas de développer un matériau capable de stocker beaucoup d’énergie : il faut l’intégrer dans une batterie qui maintienne les conditions adéquates pendant son fonctionnement. Les éléments de fixation, le refroidissement et les protections prennent également de l’espace et ont un poids, ce qui signifie que l’avantage obtenu avec une cellule doit être vérifié ultérieurement dans l’ensemble complet du pack.

Les essais ont également révélé une différence croissante entre la capacité mesurée lors de décharges légères et celle disponible lorsque les cellules sont soumises à des charges plus élevées. Il s’agit d’un aspect important pour une voiture électrique, où la demande d’énergie change constamment. Le fait de conserver sa capacité lors d’un test en laboratoire ne garantit pas que cette capacité reste utilisable de la même manière sous des charges plus intenses.

La densité énergétique mesurée était de 280 Wh/kg, tandis que l’institut estime qu’un format industriel optimisé pourrait atteindre environ 330 Wh/kg. Ce deuxième chiffre constitue une prévision, et non un résultat déjà démontré avec ces cellules. On observe ainsi une amélioration d’environ 18 %, bien que cela ne se traduise pas automatiquement par une autonomie supplémentaire de 18 % pour la voiture.

Pour comprendre ce potentiel, nous pouvons utiliser un exemple simple. Si un pack futur parvenait à passer de 75 à 100 kWh tout en conservant son poids, et que la voiture maintenait le même niveau de consommation, son autonomie augmenterait d’environ 33 %. Une distance de 450 kilomètres deviendrait alors d’environ 600 kilomètres. Il s’agit d’une illustration mathématique des avantages escomptés, et non d’une autonomie mesurée par Fraunhofer ni d’une amélioration garantie par cette étude.

Il existe également une autre possibilité tout aussi intéressante : conserver la capacité tout en réduisant le poids de la batterie. Pour un acheteur qui dispose déjà d’une autonomie suffisante, cette option pourrait s’avérer plus utile que de continuer à accumuler des kilomètres en théorie. Le choix dépendra du coût de fabrication de ces cellules et de leur comportement une fois intégrées dans une voiture.

Le projet ajoute en outre une dimension industrielle européenne. Remplacer une partie du graphite par des composés de silicium pourrait aider à diversifier l’approvisionnement en matériaux et à déplacer une partie de cette activité en Europe. Cela ne supprime pas la nécessité de les traiter avec qualité et à un prix compétitif, mais ouvre une voie pour réduire les dépendances.

Il reste encore du travail avant de trouver cette solution dans un modèle de production. Il faudra démontrer qu’elle conserve ses avantages dans un pack, à différentes températures et au cours de plusieurs années d’utilisation. La prochaine étape consistera à s’assurer que ces bons résultats persistent en dehors du laboratoire, sans que le poids et le coût liés au contrôle des cellules n’annulent les améliorations obtenues.

Source | ise.fraunhofer