Les batteries à semi-conducteurs sont-elles plus sûres que le lithium-ion ?

Les batteries à semi-conducteurs, le nouveau venu sur le bloc de batteries, ont suscité beaucoup d’intérêt de tous les coins de l’industrie de l’énergie. N’ayant pas d’électrolyte liquide inflammable (d’où “à l’état solide”), ils ignorent de nombreux problèmes de sécurité que les batteries lithium-ion traditionnelles ont, sans sacrifier la puissance.

Mais ils sont encore dans le domaine de la recherche, et une nouvelle étude a remis en question l’idée qu’ils seraient intrinsèquement plus sûrs. Un papier dans Joule a comparé les batteries à semi-conducteurs avec leurs homologues lithium-ion plus commercialisés et a trouvé des résultats mitigés.

Les batteries à semi-conducteurs et lithium-ion contiennent toutes deux du lithium (Li) : dans les deux cas, le Li+ les ions se déplacent d’une partie de la batterie à une autre, permettant aux électrons chargés négativement de se déplacer dans un circuit. La principale différence est ce que les ions traversent. Dans une batterie lithium-ion traditionnelle, il s’agit d’un électrolyte liquide, tandis qu’une batterie à semi-conducteurs utiliserait un matériau solide. Ils sont techniquement plus exigeants à fabriquer, mais ils pourraient être plus efficaces que les batteries au lithium normales.


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“Les batteries à semi-conducteurs ont le potentiel d’être plus sûres et elles ont le potentiel d’une densité d’énergie plus élevée”, déclare le Dr Alex Bates, chercheur aux Sandia National Laboratories, États-Unis, et auteur principal de l’article.

“Cela signifie que, pour les véhicules électriques, vous pouvez aller plus loin entre les charges ou avoir besoin de moins de batteries pour le stockage d’énergie à l’échelle du réseau.”

Mais dans leur analyse, les chercheurs ont découvert qu’une petite quantité de liquide peut en fait améliorer les performances des batteries à semi-conducteurs, sans trop compromettre la sécurité.

“L’ajout d’électrolyte liquide peut aider à combler l’écart avec la commercialisation, sans sacrifier la sécurité”, déclare Bates.

“Il y a eu beaucoup de controverse dans la communauté de recherche sur les batteries à l’état solide sur la sécurité d’inclure un électrolyte liquide pour” graisser les roues “”, explique le co-auteur, le Dr Yuliya Preger.

“Certains scientifiques disent que toute quantité d’électrolyte liquide est dangereuse. Nous avons donc fait les calculs pour voir quels pourraient être les impacts de l’électrolyte liquide, au lieu d’accepter simplement la « ligne du parti ».

Les chercheurs ont testé trois types de batterie différents : une batterie à semi-conducteurs, une batterie lithium-ion et une batterie hybride contenant différentes quantités d’électrolyte liquide.

Les façons (violentes) dont les piles peuvent tomber en panne. Crédit : Laboratoires nationaux Sandia.

Ils ont examiné trois scénarios de défaillance potentiels pour chaque type de batterie : un échauffement externe (lire : incendie), un court-circuit interne et une défaillance mécanique (lire : batterie écrasée ou perforée).

Dans le scénario d’incendie, la batterie contenant une petite quantité de liquide dégageait environ un cinquième de la chaleur d’une batterie lithium-ion, et la batterie à semi-conducteurs ne produisait aucune chaleur. Les trois batteries ont fonctionné de la même manière dans le scénario de court-circuit interne.

Deux hommes masqués dans un laboratoire chargeant une batterie de la taille d'une main dans une chambre sphérique
Alex Bates (devant) et John Hewson installent une chambre de test de batterie. Crédit : Photo de Rebecca Gustaf/Laboratoires nationaux de Sandia

Mais dans le scénario de défaillance mécanique, la batterie à semi-conducteurs pure pourrait dégager encore plus de chaleur que son homologue traditionnelle.

“L’une des promesses des batteries à semi-conducteurs est qu’elles sont sûres car l’électrolyte solide est ferme et peu susceptible de se casser. Mais s’il se brise, l’augmentation de température pourrait être à peu près aussi importante que lorsque les batteries lithium-ion échouent », explique Preger.

“Cette étude a mis en évidence l’importance de concevoir le diable hors de ce séparateur afin qu’il ne tombe pas en panne”, ajoute-t-elle.

Bates dit qu’ils doivent étudier d’autres matériaux d’électrolyte solide pour confirmer ces découvertes.

“Nous avons découvert que si la batterie à semi-conducteurs contient du lithium métal, elle peut être dangereuse, qu’elle contienne ou non un électrolyte liquide”, dit-il.