Que sont les batteries à semi-conducteurs et pourquoi sont-elles importantes?

La technologie des batteries a parcouru un long chemin au fil des ans. Des gadgets comme drones et les smartphones seraient irréalisables sans une technologie de batterie moderne et avancée.

Cependant, les batteries pourraient toujours être meilleures!

Les batteries à semi-conducteurs semblent être la prochaine grande avancée et les produits qui les utilisent sont au coin de la rue. Cela signifie que le moment est idéal pour vous familiariser avec ce qu’ils sont et pourquoi ils sont importants.

Que signifie «état solide»?

Qu’il s’agisse d’une batterie de voiture au plomb-acide, de produits jetables alcalins ou batteries au lithium polymère dans un téléphone, ils utilisent tous un électrolyte liquide. L’électrolyte est une substance conductrice qui relie les deux bornes internes de la batterie. Les électrons traversent l’électrolyte, permettant à la batterie d’accumuler une charge électrique ou de la décharger.

Une batterie à semi-conducteurs utilise un électrolyte solide, au lieu de l’électrolyte liquide traditionnel. C’est la seule différence fondamentale entre les deux technologies de batterie. Cela semble assez simple, mais les ingénieurs et les scientifiques luttent depuis des décennies pour trouver un matériau solide pouvant agir comme un électrolyte.

Qu’est-ce qui est difficile avec les batteries à semi-conducteurs?

Divers matériaux, tels que les céramiques et les métaux au lithium, offrent un potentiel en tant qu’électrolytes à l’état solide. Le problème est que l’approche céramique a entraîné de mauvaises performances de la batterie. Les métaux au lithium sont prometteurs, mais présentent un défaut fatal. Au fur et à mesure que la batterie est chargée et déchargée, des «dendrites» métalliques se développent à travers l’électrolyte. La batterie peut court-circuiter et devenir un danger.

Trouver des solutions pratiques et économiquement viables à ces problèmes a été la mission de plusieurs entreprises et équipes de recherche au cours des dernières années. Maintenant, ce travail est sur le point de porter ses fruits.

Pourquoi traverser tous ces ennuis? Examinons les avantages que les batteries à semi-conducteurs promettent par rapport aux batteries traditionnelles.

Sécurité

Les batteries stockent de grandes quantités d’énergie et il y a toujours un risque que cette énergie puisse être libérée de manière incontrôlée. Lorsque cela se produit, cela peut signifier un incendie, des explosions et d’autres résultats indésirables. Les batteries à semi-conducteurs, en supposant que le problème de la dendrite soit résolu, promettent d’être plus sûres et plus stables. D’une part, ils ne sont pas inflammables, les incendies de batterie devraient donc appartenir au passé.

Ceci n’est pas seulement important pour les véhicules électriques tels que les voitures et les drones, mais également pour les appareils électroniques personnels tels que les smartphones et les ordinateurs portables. De nombreuses personnes sont blessées chaque année par des incendies de batterie dans leurs gadgets électroniques. En conséquence, des maisons entières ont été incendiées!

Vitesse de recharge

Les batteries au lithium modernes peuvent charge à des vitesses impressionnantes, mais ils mettent encore beaucoup de temps à se remplir. Il y a une limite à la quantité d’énergie que vous pouvez verser dans une batterie au lithium-ion traditionnelle avant que tout ne se passe de travers. Les batteries à semi-conducteurs promettent de se recharger jusqu’à six fois plus vite que les batteries que nous utilisons actuellement. Cela signifie charger votre téléphone de vide à plein en cinq minutes ou recharger une voiture électrique à 80% en 15.

Capacité et taille d’énergie

Les batteries au lithium-ion ont actuellement la densité d’énergie la plus élevée de tous les types de batteries vendues au public. Pourtant, il est encore beaucoup moins dense que l’essence. Bien que les batteries à semi-conducteurs n’alimentent pas les batteries au même niveau que le gaz, elles promettent de plus que doubler la densité d’énergie par volume.

En d’autres termes, si vous changez la batterie de votre téléphone à l’aide d’un modèle à semi-conducteurs, elle pourrait théoriquement fonctionner deux fois plus longtemps sans augmenter sa taille. C’est encore un autre gros argument de vente pour les véhicules électriques, qui ne sont pas aussi populaires qu’ils pourraient l’être, en raison de l’anxiété de l’autonomie.

Durée de vie et durabilité

La plupart des batteries lithium-ion actuelles commencent à se dégrader après environ 500 cycles de charge-décharge complets. Après ce point, le la batterie commence à perdre sa capacité jusqu’à ce qu’il puisse à peine tenir une charge du tout. Dans les smartphones, qui ont maintenant tendance à avoir des batteries scellées, cela impose une limite stricte à la durée de vie de l’appareil. Les batteries à semi-conducteurs promettent d’augmenter considérablement cette limite. Jusqu’à cinq fois.

Ainsi, lorsqu’une batterie de téléphone à usage quotidien typique pourrait commencer à se dégrader après deux à trois ans, une batterie à semi-conducteurs conserverait sa capacité nominale quinze ans. Dans les voitures électriques, où le remplacement des batteries est extrêmement coûteux, cela pourrait avoir un effet dramatique sur le coût de possession de cette catégorie de véhicules.

Faiblesses de la batterie à semi-conducteurs

Si tout cela semble trop beau pour être vrai, il y a quelques mises en garde concernant la technologie. Certains de ces problèmes doivent encore être résolus avant l’adoption généralisée de la technologie des batteries à semi-conducteurs.

• Coût est peut-être le plus grand ennemi. Les équipes de recherche et les entreprises en démarrage travaillent d’arrache-pied pour rendre le processus de production de ces batteries moins cher et évolutif. Certaines entreprises prétendent être proches, mais nous ne saurons pas à quel point elles ont réussi tant que nous n’avons pas vu les prix réels des produits avec ces batteries.

• Ces batteries aussi lutte à basse température. Par conséquent, les solutions qui impliquent de les isoler ou de les maintenir à une bonne température de fonctionnement font partie du défi.

Quand pouvez-vous acheter des batteries à semi-conducteurs?

Il y a quelques entreprises comme Une puissance solide et QuantumScape, qui prétendent être à l’aube des applications commerciales de batteries à semi-conducteurs.

Toyota prévoit de vendre des véhicules électriques à batterie à semi-conducteurs dès 2021. Solid Power et QuantumScape visent tous deux un déploiement de batteries pour véhicules en 2022 et 2024 respectivement. Cela signifie que dans les deux prochaines années, nous pourrions être au début d’une révolution de batterie.

C’est avant même d’entrer dans les possibilités qui découlent de l’utilisation du graphène. Ce matériau merveilleux promet des batteries encore meilleures, qu’elles contiennent des électrolytes liquides ou solides. Obtenir du graphène pour jouer à la balle a échappé aux scientifiques et aux ingénieurs pendant plus longtemps que prévu, mais vous pouvez déjà acheter un powerbank graphène hybride à l’heure actuelle. Vraiment, l’avenir est là.