Deux institutions de la région de Chicago se sont associées pour développer une batterie à semi-conducteurs qui contient un énorme coup de poing énergétique, qui pourrait même éventuellement alimenter des avions.
Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne et de l’Institut de technologie de l’Illinois ont créé une batterie à semi-conducteurs qui pourrait être utilisée pour élargir considérablement la gamme de véhicules électriques, et cela pourrait débloquer la possibilité d’utiliser des batteries sur des avions court-courriers et des camions lourds.
Mais pour l’instant, il s’agit d’une cellule de batterie à l’échelle d’un laboratoire, de la taille d’un centime.
J’ai parlé avec deux des leaders de la recherche cette semaine.
« J’étais sceptique au début », a déclaré Larry Curtiss, chimiste principal à Argonne.
Il travaille au laboratoire depuis plus de 40 ans et sait par expérience que les premiers résultats peuvent ne pas être reproductibles. Mais lui et ses collègues des deux institutions de la région de Chicago ont découvert que leur travail pouvait être reproduit, avec les résultats publiés en février dans la revue Science.
Avant de continuer, quelques notions de base sur la batterie :
La plupart des véhicules électriques fonctionnent aujourd’hui avec des batteries lithium-ion. Lorsque les batteries se chargent, les ions circulent d’un côté (la cathode) à l’autre côté (l’anode), puis s’inversent lors de la décharge. Les ions effectuent ce voyage en passant par un électrolyte, qui est un liquide ou un gel.
Dans les batteries à semi-conducteurs, l’électrolyte est solide, souvent un matériau céramique. La batterie globale peut contenir plus d’électricité par unité de masse que les batteries lithium-ion actuelles pour diverses raisons de conception.
Les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries travaillent au développement de batteries à semi-conducteurs. Ils voient le potentiel pour des portées plus longues en raison d’une densité d’énergie plus élevée, et les batteries seraient plus sûres car elles sont moins inflammables que les systèmes lithium-ion actuels.
La conception d’Argonne et d’Illinois Tech est une version d’une batterie lithium-air, une catégorie qui existe depuis environ une décennie mais qui n’a pas encore connu de percée commerciale.
Dans cette batterie spécifique, l’anode est constituée d’une forme solide de lithium. La partie « air » provient de l’air extérieur qui pénètre à travers de minuscules trous dans la cathode. L’oxygène de l’air réagit avec les ions lithium qui ont traversé l’électrolyte solide. L’électrolyte est composé d’une combinaison de matériaux céramiques et polymères, un solide qui permet toujours le passage des ions.
Pour comprendre ce qui rend cette batterie différente, il est utile de savoir que dans les batteries lithium-air précédentes, chaque molécule d’oxygène réagissait avec un ou deux électrons.
Dans cette nouvelle batterie, chaque molécule d’oxygène réagit avec jusqu’à quatre électrons.
Pensez à cela comme lorsque vous déchargez une malle pleine de sacs d’épicerie de la voiture. C’est beaucoup plus efficace si vous pouvez transporter quatre sacs à chaque voyage plutôt qu’un ou deux.
Alors pourquoi les molécules d’oxygène de cette batterie réagissent-elles avec plus d’électrons ? C’est compliqué, et les chercheurs sont encore en train de répondre à cette question. Mais la réponse la plus probable est que la combinaison de matériaux crée un environnement qui cajole l’oxygène pour avoir la réaction à quatre électrons.
Les implications réelles de la technologie sont considérables, avec le potentiel de batteries qui pourraient alimenter un véhicule électrique sur 1 000 miles avec une seule charge. C’est beaucoup, même par rapport à d’autres modèles de batteries à semi-conducteurs, et c’est trois à quatre fois plus que la plupart des véhicules électriques actuels.
Mohammad Asadi, ingénieur chimiste chez Illinois Tech, était un autre chef de l’équipe qui a développé la batterie et co-auteur de l’article.
« Tout dépend de la chimie et de la densité d’énergie », a-t-il déclaré à propos de ce qui rend cette batterie spéciale.
Pour lui, l’un des aspects les plus passionnants de cette recherche est le potentiel de développement de batteries destinées au transport maritime et à l’aviation. Ces modes de transport ont besoin de tellement d’énergie que les blocs-batteries n’ont pas été pratiques en raison de la taille et du poids substantiels qui seraient nécessaires.
En ce qui concerne le potentiel des voitures, la batterie pourrait être utilisée pour les véhicules électriques à très longue portée, mais je ne vois pas cela comme l’utilisation la plus pratique. Une meilleure utilisation serait d’aider à fabriquer des véhicules électriques qui ont des batteries beaucoup plus petites qu’aujourd’hui, mais qui peuvent encore avoir des autonomies substantielles. Cela réduirait le poids d’une voiture et son coût.
Mais il s’agit d’une recherche à un stade précoce qui est probablement dans une dizaine d’années avant d’arriver sur le marché, si jamais elle arrive sur le marché. L’un des premiers défis serait de transformer la cellule à l’échelle du laboratoire en un prototype, qui serait environ 100 fois plus grand.
En attendant, les constructeurs automobiles et les fabricants de batteries ne sont qu’à quelques années de la sortie des premières voitures équipées de batteries à semi-conducteurs.
Toyota a déclaré l’année dernière qu’il aurait une batterie à semi-conducteurs d’ici 2025, mais ce serait dans un hybride gaz-électrique par opposition à un véhicule tout électrique. La décision de ne pas construire de véhicule électrique est un casse-tête, mais elle est conforme au penchant continu de Toyota pour les hybrides.
Tous les grands constructeurs automobiles travaillent sur des batteries à semi-conducteurs, soit en interne, soit par le biais de partenariats avec des fabricants de batteries comme QuantumScape et Solid Power. Les plans varient, mais ils prévoient d’avoir quelques véhicules électriques avec les batteries sur le marché d’ici environ cinq ans, et d’en avoir beaucoup plus sur le marché au début des années 2030.
Nissan s’est fixé il y a deux ans l’objectif d’augmenter la production de batteries à semi-conducteurs à un rythme permettant de commencer à vendre un véhicule électrique doté de cette technologie d’ici 2028, et un dirigeant de l’entreprise a déclaré le mois dernier que l’entreprise était sur la bonne voie pour atteindre cet objectif.
Mais il y a aussi un certain scepticisme quant aux perspectives et aux calendriers. Le président de CATL, le leader mondial de la part de marché des batteries pour véhicules électriques, a déclaré le mois dernier que son entreprise avait du mal à développer une batterie à semi-conducteurs. CATL, basé en Chine, est un fournisseur de Tesla, entre autres, et il a pu étendre ses gammes de batteries et réduire ses coûts tout en continuant à utiliser des électrolytes liquides.
La ruée vers les activités de développement de l’industrie automobile et la poursuite des recherches dans des endroits comme Argonne et Illinois Tech montrent la promesse de batteries à semi-conducteurs pour aider à rendre les véhicules électriques beaucoup plus attrayants pour les consommateurs.
Dans un avenir proche, les véhicules électriques seront probablement moins chers que les véhicules à essence équivalents, et les véhicules électriques devraient pouvoir voyager plus longtemps avec une seule charge que les modèles à essence avec un seul réservoir.
Ou, comme le dit Curtiss, les batteries à semi-conducteurs « peuvent rendre les voitures moins chères et aller plus loin ».
Autres histoires sur la transition énergétique à noter cette semaine :
Les règles du crédit d’impôt pour VE sont sur le point de devenir beaucoup plus compliquées : Le département du Trésor a publié la semaine dernière de nouvelles règles proposées pour déterminer quels véhicules électriques sont éligibles aux crédits d’impôt en vertu des exigences de la loi sur la réduction de l’inflation, comme le rapporte John Resevear pour CNBC. Bien que le département n’ait pas encore précisé quels véhicules sont éligibles – cela arrivera le 18 avril – l’agence a divulgué ses critères pour déterminer quels véhicules électriques sont sélectionnés. Les véhicules peuvent obtenir la totalité du crédit de 7 500 $ s’ils satisfont aux exigences relatives à l’origine de leurs minéraux critiques et de leurs composants de batterie, et si les modèles subissent un assemblage final en Amérique du Nord. Le sénateur Joe Manchin était mécontent des règles et menace de poursuivre le département du Trésor parce qu’il dit que les règles sont trop indulgentes pour permettre à une grande partie des composants de la batterie de provenir d’autres pays, comme le rapporte David Shepardson pour Reuters. Il était probablement inévitable que Manchin n’aime pas les règles, qui reflètent la tentative de l’administration Biden d’équilibrer l’intention de la loi en n’excluant pas trop de véhicules.
La domination de Tesla s’estompe à mesure que l’adoption des véhicules électriques augmente : Tesla reste le leader de la part de marché des véhicules électriques sur la base des nouvelles immatriculations aux États-Unis, mais l’avance de l’entreprise se rétrécit, comme le rapporte Joann Muller pour Axios. C’était inévitable alors que d’autres constructeurs automobiles augmentaient leurs offres de véhicules électriques, mais il est intéressant de voir quels modèles non Tesla font le mieux dans cet espace de plus en plus concurrentiel. La Chevrolet Bolt et la Volkswagen ID.4 ont enregistré l’une des plus fortes croissances en pourcentage en janvier, par rapport à l’année précédente. La croissance de la Bolt au premier trimestre a été suffisante pour aider General Motors à dépasser Ford pour devenir le n ° 2 des ventes de véhicules électriques aux États-Unis, comme le rapporte l’Associated Press.
Pourquoi le Kentucky est le dernier pour la production éolienne et solaire : Le Kentucky a connu ce que l’on pourrait décrire comme une décennie perdue d’investissements dans les énergies renouvelables, tandis que l’énergie éolienne et solaire a grimpé en flèche dans d’autres États, y compris certains autres États houillers, comme James Bruggers et moi-même rapportons pour ICN. Nous avons examiné comment le dévouement du Kentucky à la préservation de son industrie du charbon a conduit à une résistance aux autres sources d’énergie qui a nui à l’État sur le plan économique en décourageant les investissements et sur l’environnement en prolongeant la durée de vie des centrales électriques au charbon.
L’énergie solaire a surperformé l’énergie éolienne en termes de cotes de crédit, laissant présager un risque plus élevé pour les projets éoliens : Les cotes de crédit pour le financement de projets solaires ont surpassé les projets éoliens à travers le monde en raison d’une production d’électricité et de flux de trésorerie plus prévisibles, selon Fitch Ratings, comme le rapporte Allison Good pour S&P Global Market Intelligence. Fitch a déclaré que les projets solaires ont atteint ou dépassé les estimations initiales de production d’électricité, tandis que les projets éoliens étaient plus susceptibles de sous-performer. C’est un mauvais signe pour les développeurs d’énergie éolienne qui font face à des coûts plus élevés pour obtenir des financements ou des projets.
L’administration Biden consacrera 450 millions de dollars au développement d’une électricité sans carbone sur les sites miniers : La secrétaire à l’Énergie, Jennifer Granholm, a déclaré cette semaine que l’administration Biden utilisera 450 millions de dollars pour mettre en place de nouveaux projets énergétiques sur les sites miniers actuels et anciens, comme le rapporte Zack Budryk pour The Hill. L’argent provient de la loi bipartite sur les infrastructures de 2021, et il pourrait conduire à des projets qui incluent l’énergie nucléaire, les énergies renouvelables et la capture du carbone, entre autres. Cela fait partie d’un tableau plus large dans lequel l’administration Biden oriente les investissements vers les communautés qui ont été touchées par la transition vers une énergie propre.
