QuantumScape lève le voile sur sa batterie Li-ion tout-solide que Volkswagen compte utiliser en 2025

QuantumScape a présenté le 8 décembre les performances de sa cellule de batterie tout-solide. L’entreprise américaine fait un pas important dans la course vers cette technologie considérée comme un graal à atteindre dans le domaine des batteries lithium-ion. Partenaire et investisseur important, Volkswagen espère les utiliser dans ses véhicules à horizon 2025.

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QuantumScape lève le voile sur sa batterie Li-ion tout-solide que Volkswagen compte utiliser en 2025
Mesurant 70 millimètres sur 85 millimètres, la cellule de batterie tout-solide développée par QuantumScape devra encore faire l'objet de tests une fois empilée sous forme de stack.

QuantumScape a dévoilé le 8 décembre les performances qu’elle a réussi à atteindre avec sa cellule de batterie tout-solide. Les résultats présentés démontrent, selon l’entreprise américaine, que sa technologie « résout des problèmes fondamentaux qui empêchent l’utilisation généralisée des batteries tout-solide à haute densité d’énergie », souligne-t-elle dans un communiqué.

Plus forte capacité de charge, durée de vie allongée, sécurité renforcée et basses températures d’opération... « Je n’ai jamais vu d’aussi bons résultats, assure Stanley Whittingham, chimiste britannique colauréat du prix Nobel de chimie en 2019 pour avoir co-inventé les batteries lithium-ion et membre du conseil scientifique de QuantumScape, lors d’une conférence organisée en ligne pour présenter les résultats. De vrais progrès ont été effectués. »

QuantumSpace ne sort pas de nulle part. Créée en 2010 et issue de l’Université de Stanford, la start-up compte parmi ses soutiens un géant de l’automobile : Volkswagen, qui l'accompagne en tant que partenaire industriel depuis 2012. Le constructeur allemand a investi dans la start-up plus de 300 millions de dollars ces dernières années et envisage d’utiliser ses batteries dans ses propres véhicules à horizon 2025.

Le futur du lithium-ion

Considérée par certains comme un graal à atteindre, les batteries tout-solide représentent une vraie rupture technologique par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Plus sûres, plus denses en énergie, elles sont présentées comme la solution du futur et intéressent particulièrement les acteurs du véhicule électrique, du stockage stationnaire et de l’aéronautique, comme évoqué dans notre dossier dédié aux batteries lithium-ion paru en septembre dernier.

Ces avantages viennent plus exactement de l’utilisation d’une électrode négative en lithium métallique, permise par un électrolyte solide. Dans l'électrode négative d’une batterie lithium-ion classique, le graphite utilisé est un matériau d’insertion : il n’est là que pour former une structure d’accueil pour les ions lithium qui accumulent la charge électrique. En se débarrassant du graphite au profit du lithium pur, il devient possible de stocker bien plus de charges, donc d'énergie. De quoi augmenter l’énergie stockée.

Impossible, cependant, de bénéficier de ces avantages avec un électrolyte liquide : l’électrode de lithium métallique forme des excroissances (dendrites) lors des cycles de charge-décharge qui peuvent perforer le séparateur et créer des courts-circuits dévastateurs. L’électrolyte solide, lui, constitue une barrière physique qui bloque ce phénomène. L’usage du lithium métallique devient alors possible, et l'abandon de l'électrolyte liquide inflammable réduit le risque d'incendie.

QuantumScape

Dans une batterie tout-solide (à droite), une électrode négative en lithium métallique (en vert) remplace celle en graphite utilisée dans une batterie lithium-ion classique (en gris foncé à gauche). Chez QuantumScape, l'électrode négative disparaît à la décharge lorsque les ions lithium migrent vers l'électrode positive. (Crédit photo : QuantumScape)

Plus de 800 cycles à 30°C : « un résultat impressionnant »

QuantumScape affirme être parvenu à mettre au point une cellule tout-solide qui offrirait à un véhicule électrique une autonomie supérieure de 80 % par rapport à celle permise par les batteries lithium-ion actuelles. Les capacités volumique et massique d’énergie de cette cellule pourraient atteindre respectivement 1 000 wattheures par litre (Wh/L) et environ 400 wattheures par kilogramme (Wh/kg). Des chiffres à comparer aux 700 Wh/L et environ 300 Wh/kg atteints par les meilleures batteries lithium-ion aujourd’hui.

Capable de se recharger à 80 % en 15 minutes, elle aurait également une durée de vie supérieure à 800 cycles – contre environ 200 cycles pour les batteries tout-solide en développement actuellement -, permettant à un véhicule de parcourir plusieurs centaines de milliers de kilomètres. Cette démonstration a été faite à une température de 30°C. « C’est le résultat le plus impressionnant », déclare Paul Albertus, professeur assistant en chimie à l’Université du Maryland et ancien directeur du programme Arpa-E Ionics sur les batteries tout-solide du département de l’énergie américain (DOE), lors de la conférence en ligne. Et la cellule serait même capable d’opérer à des températures encore plus basses, potentiellement jusqu’à -30°C, assure l’entreprise.

Jusqu’à présent, les seules batteries tout-solide sur le marché sont celles du français Blue Solutions (groupe Bolloré). Seulement, une température supérieure à 60°C est nécessaire pour atteindre une bonne conductivité de l’électrolyte, d’où une consommation d’énergie continue pour maintenir la batterie à cette température.

Un séparateur en céramique flexible

QuantumScape indique avoir développé un matériau céramique qui fait office de séparateur tout en laissant passer les ions lithium mais dont elle ne dira rien de plus, si ce n’est qu’il est flexible. Son fondateur et directeur, Jagdeep Singh, précise que l’entreprise l’a sélectionné en 2015 : « Nous avons passé les cinq dernières années à travailler à sa production avec le bon niveau de qualité, à bas coût et selon un procédé qui puisse passer à l’échelle. » Les outils et procédés utilisés pour le produire sont répandus dans les industries des batteries et des céramiques, assure-t-il : « Nous sommes en train de qualifier ceux disponibles sur le marché. »

QuantumScape

Flexible, le séparateur utilisé par QuantumScape est en céramique. (Crédit Photo : QuantumScape)

Ce séparateur solide se situe entre les électrodes positive et négative et assure le passage des ions lithium. L’électrode positive utilisée est du même type que celles qui équipent les batteries lithium-ion actuelles. QuantumScape optera pour une chimie nickel-manganèse-cobalt (NMC) pour commencer.

Quant à l’électrode négative en lithium métallique, elle n'est pas toujours là. En effet, QuantumScape utilise une architecture dite « sans excès de lithium ». En se déchargeant, l’électrode négative de lithium métallique disparaît au fur et à mesure que les ions lithium migrent vers l’électrode positive. A l’état déchargé, elle a complètement disparu. Lors de la charge, les ions lithium migrent dans l’autre sens et la couche métallique se reforme au niveau de l’électrode négative.

Assemblage des cellules et production de masse

Maintenant que ces résultats ont été obtenus sur des cellules élémentaires, les challenges seront de les assembler pour faire des stacks et des modules de batteries, et de mettre en place les capacités de production de masse.

Ancien directeur du groupe de recherche chez Volkswagen et membre du conseil de QuantumScape, Jürgen Leohold ajoute lors de la conférence en ligne que le procédé de fabrication est compatible avec ceux utilisés couramment pour fabriquer les batteries lithium-ion actuelles : « Il ne sera pas nécessaire de construire de nouvelles usines. Il est possible de transformer les usines actuelles. »

M. Singh précise que QuantumScape et Volkswagen ont déjà créé une coentreprise pour mettre en place ensemble des capacités de production en deux temps : 1 gigawattheure par an (GWh/an) dès 2025 avec un début de construction de l'usine prévu en 2022, et 20 GWh/an plus tard.

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