Le partenaire de Volkswagen aurait fait une percée dans les batteries solides

La société américaine QuantumScape est un précieux allié de Volkswagen depuis des années. Les deux ont même créé une co-entreprise en 2018. Il y a quelques mois, le constructeur allemand en a rajouté une couche en remettant 200 millions d'euros sur la table pour monter un peu plus au capital du spécialiste californien du stockage d'énergie. 

Pour Volkswagen, c'est avant tout stratégique : il s'agit de mettre la main sur une technologie prometteuse et de l'intégrer sur les véhicules de série. Cela devrait arriver dès 2025 pour les voitures de la marque allemande. 

Le problème des batteries actuelles

Les batteries solides, sur lesquelles travaille QuantumScape, repose sur un principe simple : l'utilisation d'une électrode métallique formée uniquement de lithium, plutôt qu'une électrode à graphite dans un électrolyte liquide, qui vient "accueillir" les ions de lithium. Cela permet d'avoir plusieurs avantages : gain de place, gain en densité énergétique, et risque d'incendie plus faible.

En effet, en cas de surchauffe (ou dans certaines conditions bien spécifiques), la cathode peut développer ce que l'on appelle des "dentrites" (des sortes d'excroissance) qui, au fil du temps, vont venir perforer l'électrolyte et créer... un court circuit. Puis le fameux embrasement que l'on observe parfois en vidéo, qui est le résultat du court-circuit dans l'électrolyte liquide, lui même inflammable. D'où, finalement, la nécessité d'avoir un système de refroidissement efficace sur les batteries lithium à électrolyte liquide que l'on trouve dans les voitures électriques actuelles.

Les avantages de la batterie solide

Sur le modèle de batterie solide développé par QuantumScape, il faut signaler avant tout une information importante : lors de la décharge (déplacement des ions vers la cathode), l'anode "disparaît". Il ne reste que le contact électrique de l'anode, directement sur l'électrolyte. L'anode réapparaît à la charge, au moment du transfert des ions dans le sens inverse. QuantumScape explique d'ailleurs que les cellules sont fabriquées sans anode !

L'utilisation d'une anode en lithium-métal offre de nombreux avantages, comme cités plus haut. Le gain de place, d'abord, mais surtout le gain en densité. Puisqu'il s'agit de lithium pur, et plus de graphite-lithium, il est possible d'avoir de bien plus gros transferts d'ions entre anode et cathode. Sur une anode classique, six molécules de carbone peuvent accueillir un seul ion lithium. Sur une batterie solide, les ions lithium n'ont plus besoin d'être associés à du carbone : ils sont stockés seuls.

Et tout ceci avec une forme plus stable. En effet, le risque d'excroissance (dentrites) et de court-circuit est ici contré par le fait que l'électrolyte de l'anode est solide, et plus liquide. Il s'agit ici de la plaque de séparation en céramique, qui diffère du matériau poreux que l'on trouve dans les batteries lithium-ion actuelles. C'est ce matériau qui rassemble tous les enjeux : il est à la fois capable de laisser passer les ions, tout en bloquant les dentrites et empêchant physiquement tout risque de court-circuit et d'incendie. Et puisqu'il y a plus forte concentration de lithium de chaque côté (anode lithium métal et cathode lithium), le risque de dentrites est d'autant plus élevé...

Le matériau mystère...

QuantumScape dévoile cette image de la fameuse membrane en céramique qui sépare anode et cathode. Contrairement aux batteries Bolloré (qui sont les rares batteries solides - lithium métal polymère - à avoir été commercialisées sur des voitures, mais qui présentent l'énorme désavantage de devoir être alimentées en permanence pour maintenir une certaine température lorsqu'elles ne sont pas utilisées...), ici, l'électrolyte est en céramique, et il est souple.

Verre, céramique, polymère, de nombreux matériaux ont fait l'objet de recherches, mais souvent se sont-ils heurtés à des problèmes de puretés, de qualité de fabrication. Pour le fondateur de QuantumScape, c'est le fruit de plusieurs années de travail : "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".

Car c'est bien ça, le grand défi de la batterie "tout solide" : passer le stade du laboratoire. Il est déjà plutôt facile de faire des tests en labo sur une seule unité (anode et cathode), mais c'est autre chose lorsqu'il faut construire des stacks avec plusieurs cellules et constituer une vraie batterie. De plus, certains ingénieurs pointent du doigt le fait que les électrolytes solides sont souvent "impurs", en particulier le verre et le céramique, avec des surfaces irrégulières rendant les batteries parfois défaillantes.

En résumé, QuantumScape parle de 800 cycles de durée de vie (contre environ 200 pour les batteries solides à l'étude actuellement) et d'une température de test à 30°. Avec ce nombre de cycles, il serait possible de couvrir des centaines de milliers de kilomètres.

Qui croire ?

Cela fait en fait de très nombreuses années que la batterie solide est à l'étude. Tout comme les fameuses batteries au graphène (qui remplacerait le graphite et apporterait son lot d'avantages). Mais en réalité, personne n'a su jusqu'ici concevoir des batteries solides qui soient rentables et produites de façon industrielle. Fabriquer ces batteries en série serait aujourd'hui probablement possible (ou, en tout cas, cela devrait vite arriver), mais à quel prix ?

Elles seraient probablement bien peu compétitives face à des batteries liquides classiques qui n'ont pas encore livré tout leur potentiel d'exploration et de recherche. Et même si la densité énergétique d'une batterie solide pourrait atteindre les 500 Wh/kg à l'heure actuelle (c'est plus de 2 fois plus que des batteries que l'on trouve sur les voitures électriques actuelles), le facteur de coût de fabrication, lui, serait probablement nettement supérieur à 2.

Pour Volkswagen, il s'agira de vite faire ses preuves. La co-entreprise avec QuantumScape a pour objectif de débuter la construction d'une usine en 2022, avec l'ambition de produire l'équivalent de 1 GWh de batteries dès 2025. Il faudra d'ici là prouver que la rentabilité industrielle est au rendez-vous et que la compétitivité, aussi.