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

Réussite cruciale dans la recherche sur les batteries : des cellules en feuille dotées d’anodes riches en silicium ont tenu plus de 1 000 cycles lors des essais sans voir leur capacité chuter en dessous de 80 %. Découvrez quels paramètres jouent un rôle important et ce que ces progrès signifient pour les voitures électriques.

Image : Fraunhofer ISE

Dans le cadre du projet « StrOboBatt », des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire (ISE) ont réussi à faire fonctionner une cellule en feuille autoconstruite de 25 Ah dotée d’anodes riches en silicium pendant plus de 1 000 cycles complets. Après ce test, la cellule conservait encore une capacité résiduelle de plus de 83 %. Ainsi, ce projet de recherche a atteint une étape importante dans le développement des batteries : 1 000 cycles complets avec un maintien de capacité d’au moins 80 % est considéré comme une exigence minimale pour un usage commercial.

Silicium : haute densité énergétique, mais dilatation extrême

Ce qui rend la cellule à membranes particulière, c’est son anode riche en silicium, car elle permet une densité énergétique plus élevée par rapport aux anodes en graphite traditionnelles. Jusqu’à présent, le silicium ne peut cependant pas être utilisé comme matériau d’anode, car son volume augmente de jusqu’à 300 pour cent (quadruplement) lors du chargement en raison de l’absorption d’ions lithium, puis se réduit à nouveau lors du déchargement. Ce mouvement intense entraîne la perte de contact électrique au sein de l’électrode et provoque une décomposition plus rapide de l’électrolyte. La conséquence est un vieillissement trop rapide de la cellule pour qu’on puisse l’utiliser dans la pratique. À titre de comparaison, le graphite ne s’élargit que d’environ dix à douze pour cent.

Afin de réduire la charge mécanique due à une forte dilatation, les chercheurs du Fraunhofer ISE ont utilisé un composite silicium-carbone qui représente 51 pour cent du matériau actif de l’anode. En combinaison avec une cathode riche en nickel, ils ont fabriqué la cellule en feuille sur une ligne pilote proche des conditions industrielles.

La pression et la dynamique de charge : des facteurs décisifs

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

De plus, les tests effectués sous des charges quotidiennes dynamiques ont montré que la capacité utilisable diminue plus tôt à haute performance qu’avec des cycles de test moins intensifs. Cela fournit une indication importante pour l’utilisation future dans les voitures électriques, dont les systèmes de gestion des batteries doivent tenir compte de ce phénomène.

Les cellules testées ont atteint une densité énergétique gravimétrique de 280 Wh/kg. Cependant, le Fraunhofer ISE indique qu’une production en série optimisée industriellement pourrait permettre d’atteindre environ 330 Wh/kg. Une batterie de 330 Wh/kg représenterait une amélioration d’environ 20 à 35 % par rapport aux cellules NMC et NCA actuelles, ainsi que près du double par rapport aux cellules LFP.

Matières premières européennes pour une plus grande autonomie

Dans la pratique, cela signifie qu’une voiture électrique pourrait disposer de la même masse de batterie mais d’une capacité de stockage proche de 100 kWh au lieu de environ 75 kWh actuellement. Cela augmenterait l’autonomie réelle d’un véhicule de taille moyenne, qui est actuellement d’environ 450 kilomètres, à bien plus de 600 kilomètres.

En plus de cette simple augmentation de l’autonomie, cette technologie apporte un avantage stratégique pour les régions industrielles. Étant donné que le graphite doit actuellement être importé en grande partie en dehors de l’Europe, une utilisation plus importante de composés au silicium permet un transfert partiel de la création de valeur liée aux matières premières vers l’Europe, puisque le silicium peut y être extrait de manière locale et synthétique.