Préparez-vous aux nouvelles avancées dans la technologie des batteries en 2021

Depuis que Volta a découvert en 1800 que certains liquides pouvaient générer un flux de puissance électrique dans le cadre d'une réaction chimique, l'ère des batteries était née. Volta ne savait pas qu'il aurait une unité nommée en son honneur (probablement l'un des plus grands honneurs qu'un scientifique puisse recevoir), et sa découverte serait à la base de toute la technologie mobile utilisée aujourd'hui. En accélérant jusqu'à aujourd'hui, la structure fondamentale des batteries correspond toujours à celle utilisée dans la cellule de Daniell, introduite pour la première fois en 1836.

Aujourd'hui, la conversation autour des batteries s'est concentrée sur leur utilisation comme facilitateurs pour d'autres technologies, telles que la consolidation des sources d'énergie renouvelables et les véhicules électriques. Malgré les avancées historiques et récentes dans la technologie des batteries, de nombreux défis restent à relever pour rendre les batteries plus respectueuses de l'environnement, moins chères et plus sûres à haute décharge. Cependant, de nombreuses entreprises travaillent au développement de nouvelles plateformes matérielles pour les batteries sans apporter de changements majeurs à la chimie des batteries.

Les défis des batteries d'aujourd'hui

Les défis présents dans les batteries d'aujourd'hui et les systèmes de stockage d'énergie se concentrent autour de la sécurité et de l'aspect écologique. La chimie de batterie de pointe actuelle pour la livraison de puissance est le Li-ion, qui présente également les plus grands risques de sécurité, mais elle est encore comparable à la chimie du nickel métal en termes de capacité. Puisque la chimie au lithium offre déjà certains avantages en termes de livraison de puissance, elle a été le centre de développements et d'améliorations supplémentaires. Malgré ses avantages, les batteries Li-ion ont leurs inconvénients :

• Durée de vie : Ici, nous faisons référence à la durée de vie utile globale de la batterie, plutôt qu'à la capacité de charge. La durée de vie des batteries Li-ion est grandement affectée par la profondeur de charge/décharge, le taux de charge/décharge, le nombre de cycles de charge, la température de fonctionnement et la géométrie de la cellule. 

• Sécurité de charge/décharge : Les batteries Li-ion nécessitent un circuit de surveillance et de protection de l'énergie pour prévenir la surchauffe et la surcharge. De même, lors d'un cycle de décharge, le circuit de protection limite le taux de décharge pour empêcher la tension de la cellule de tomber trop bas. 

• Facteur de forme vs. capacité : Bien que les smartphones soient devenus plus plats, la taille de la batterie a augmenté pour fournir une capacité supérieure. En conséquence, davantage de composants sont consolidés dans des SoCs et sur des cartes flexibles pour faire de la place à des batteries plus grandes. Il est souhaitable d'augmenter la capacité sans augmenter la taille physique de la batterie.

• Recyclabilité : L'afflux de nouveaux véhicules électriques prévus pour être mis en service dans un avenir proche soulève de sérieuses préoccupations concernant la fin de vie des batteries Li-ion. De nouveaux matériaux et structures de batteries peuvent être nécessaires pour réduire l'énergie requise pour recycler une batterie Li-ion.

Les packs de batteries en polymère Li-ion offrent un facteur de forme flexible avec une capacité compétitive et des caractéristiques de charge/décharge. De nouveaux matériaux peuvent permettre une plus grande sécurité avec une livraison de puissance et une capacité supérieures.

Les avancées dans la technologie des batteries commencent par les matériaux

Les avancées les plus récentes dans la technologie des batteries se sont concentrées sur le passage de la chimie alcaline et de la chimie du nickel-métal à la chimie du lithium. Les prochaines avancées dans la technologie des batteries se concentrent principalement sur les matériaux qui répondent aux défis mentionnés ci-dessus, et pas nécessairement sur les méthodes et composants externes de gestion de l'énergie. Si vous regardez l'industrie des batteries, il y a deux domaines où les entreprises innovent avec de nouveaux matériaux : les électrodes et les électrolytes.

Matériaux d'Anode/Cathode Semi-poreux

Les matériaux poreux offrent certains avantages uniques dans les matériaux d'anode et de cathode de batteries tant qu'ils peuvent fournir une faible résistance et une haute conductivité thermique, ce dernier point abordant une préoccupation de sécurité primaire dans les batteries de haute puissance/capacité pour véhicules électriques. Un exemple de matériau d'anode est le graphite revêtu de nanorubans de carbone, qui peut être facilement incorporé dans les anodes existantes pour les batteries Li-ion. La nature poreuse de ce matériau particulier offre une plus grande surface active, ce qui permet un plus grand flux de charge entrant/sortant du terminal de l'anode et un stockage de Li-ion supérieur à celui d'une électrode en graphite solide.

Batteries Tout Solide

Les batteries à l'état solide intéressent car elles permettent de remplacer un électrolyte liquide inflammable par un électrolyte solide non inflammable. Le lithium est également d'intérêt ici car cela permettrait de préserver la chimie de ces systèmes. Plus tôt cette année, Samsung a annoncé le développement d'une plateforme de batterie Li-ion tout solide. La batterie de Samsung utilisait un matériau composite argent-carbone comme anode pour supprimer la croissance dendritique d'une anode métallique. Ces batteries ne sont pas encore disponibles commercialement, bien que l'utilisation d'électrolytes solides soit connue pour être plus sûre comparée aux électrolytes liquides utilisés dans les batteries commerciales d'aujourd'hui.

Des entreprises comme Toyota, Nissan et VW soutenant Quantumscape construisent leurs propres plateformes de batteries à l'état solide pour véhicules électriques. Une fois commercialisées, ces plateformes pourraient changer la donne pour les véhicules électriques car elles pourraient offrir une plus grande autonomie dans un paquet plus petit sans augmenter le temps de charge. Cela remet l'accent sur les concepteurs de cartes pour construire les meilleurs systèmes de gestion pour soutenir les plateformes de batteries de véhicules qui sont sûres et ont l'efficacité la plus élevée possible.

Matériaux Séparateurs

Ceci est toujours un domaine de recherche scientifique car les membranes séparatrices doivent être très durables et poreuses. Le polyoléfine est utilisé comme séparateur dans les batteries Li-ion commerciales, et tout nouveau matériau séparateur devrait permettre un échange d'ions élevé sans générer de chaleur excessive. Il doit également avoir une haute résistance mécanique et une stabilité chimique. Les chercheurs étudient encore de nouveaux matériaux séparateurs pour répondre à ces exigences sans entraîner de changements majeurs dans la chimie ou les caractéristiques électriques de la batterie.

Quelques exemples de matériaux pour membranes séparatrices. [Source]

Pourquoi se concentrer sur l'utilisation des mêmes plateformes de matériaux qui ont déjà été commercialisées ? La chimie actuelle utilisée dans les batteries de pointe de l'industrie (chimie alcaline ou lithium) a été minutieusement étudiée et qualifiée pour la sécurité, tant par les régulateurs gouvernementaux que par l'industrie des batteries elle-même. Une fois que vous changez la classe de matériaux, vous changez également la chimie, et le processus d'évaluation approfondi recommence depuis le début. Par conséquent, beaucoup dans l'industrie hésitent à s'éloigner des plateformes de matériaux existantes ; l'investissement et les risques sont tout simplement trop élevés.

À mesure que de nouvelles avancées dans la technologie des batteries mènent à de nouveaux produits, nous serons là pour vous tenir informés avec les dernières nouvelles et analyses. Lorsque vous recherchez une nouvelle batterie longue durée, à haute capacité et des composants de gestion de l'énergie pour votre prochain système, utilisez les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Vous aurez accès à un moteur de recherche étendu avec des données de distributeurs et des spécifications de pièces, le tout accessible via une interface conviviale. Jetez un œil à notre page sur les circuits intégrés de gestion de l'énergie pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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