Batterie entièrement à semi-conducteurs : Nissan pourrait-il être le premier ?

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Lorsque Nissan a annoncé qu’il prototypait des batteries à semi-conducteurs, la nouvelle contenait un calendrier ambitieux pour lancer la production pilote de cellules entièrement à semi-conducteurs en 2024 et alimenter une série de véhicules électriques en 2028. Dans un appel de suivi, Nissan a détaillé les bases de leur technologie, tout en revendiquant des percées en s’appuyant sur un avantage que peu de constructeurs automobiles possèdent.

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Certes, les batteries à semi-conducteurs sont la prochaine barrière à franchir. Volkswagen et Mercedes, aujourd’hui Honda et d’abord Toyota, l’ont salué comme le Saint Graal. “Le premier constructeur automobile à proposer des batteries à semi-conducteurs à la production en série bénéficiera d’un avantage concurrentiel crucial”, a déclaré Thomas Schmall, PDG de Volkswagen Group Components, s’adressant à Porsche Consulting la semaine dernière. “Nous attendons nos premières usines pilotes en 2025 ou 2026”, a-t-il déclaré.

C’est un ou deux ans plus tard que Nissan est en lice. La société japonaise souhaite lancer une ligne de production pilote à Yokohama en 2024 – plus tôt que Toyota. La société avait conservé sa position de leader dans le domaine des batteries à semi-conducteurs, mais a récemment admis qu’elle n’y arriverait pas avant 2025 ou 2026 non plus.

Nissan, cependant, semble travailler actuellement sous haute pression et avec précision pour développer une batterie entièrement à l’état solide – en interne. C’est là que repose l’un des arguments les plus solides pour que Nissan se classe parmi les premiers. La plupart des autres constructeurs automobiles s’appuient sur des partenaires externes. Volkswagen fait confiance à QuantumScape ; Prologium vient de dévoiler une véritable batterie alimentant les LEV de Gogoro.

La promesse dans tous les cas – une plus longue portée, moins de coûts, une densité d’énergie et des puissances de charge plus élevées, et une plus grande liberté de conception. Et, ajoute Nissan, un choix plus large de matériaux à associer comme cathode, anode, électrolyte et séparateur, rendant les batteries à semi-conducteurs plus complexes et prometteuses.

C’est sur la faisabilité de la combinaison de matériaux et la production évolutive que Nissan se concentre dans ses laboratoires de la préfecture de Kanagawa, au Japon. Ou a de puissants partenaires qui informent la recherche à l’étranger. Selon le vice-président de Nissan, Kazuhiro Doi, la NASA et l’Université de San Diego ont pris en charge les tests de combinaisons de centaines de milliers de matériaux. Doi, qui a dirigé l’appel depuis le Japon, a partagé que Nissan et la NASA utilisent la “plate-forme informatique matérielle originale”, une base de données informatisée. Il a également mentionné une IA qui avait donné des résultats de couplages de matériaux absolument puissants.

Bien qu’il n’entre pas dans tous les détails chimiques, l’électrolyte solide de choix de Nissan est à base de sulfure et présente une conductivité ionique élevée. Si élevé, en fait, il a ce qu’on appelle un mécanisme de “saut”, ce qui signifie que les ions se déplacent plus rapidement que les solvants.

Doi, dans sa présentation, reviendrait souvent à la conductivité – la vitesse et la facilité avec lesquelles les ions se déplacent entre la cathode et l’anode pendant la charge et la décharge réelles. L’un des obstacles des recherches antérieures était que les électrolytes solides présentaient une conductivité ionique inférieure à celle de leurs homologues liquides. Ou, comme Doi l’a dit simplement : “Moins il y a de résistance dans l’électrolyte, plus la sortie est élevée et plus le temps de charge est court.”

Sélection des matériaux, performances des matériaux et contrôle de précision de chaque couche

Avec de meilleurs électrolytes solides, un autre avantage apparaît. Les réactions secondaires entre les matériaux ont diminué par rapport aux solvants liquides, permettant ainsi ledit choix plus large de matériaux pour la cathode et l’anode. L’objectif pour Nissan (comme pour d’autres) est alors de choisir des matériaux plus largement disponibles que, par exemple, le cobalt, tout en optimisant les performances des matériaux.

Pour l’anode et la cathode, on ne savait toujours pas sur quoi Nissan travaillait, bien qu’une présentation ait répertorié le graphite, le silicium et le li-métal pour l’anode par ordre croissant de densité d’énergie. ProLogium, par exemple, développe des batteries lithium-céramique à l’état solide avec des anodes en silicium et des anodes en lithium métal.

Encore une fois, signalez-vous dans la bibliothèque de matériaux de la NASA mentionnée précédemment. Les niveaux de recherche semblent déjà profonds, Nissan sondant des revêtements protecteurs pour les prototypes de cathodes et d’anodes afin d’optimiser la durée de vie de la batterie sous la menace constante du vieillissement.

La dégradation est un défi pour toute batterie, mais Nissan a déclaré qu’elle était au bord d’une véritable percée. Comme l’a expliqué Doi, la formation de dendrites est l’un des principaux facteurs de vieillissement de la batterie. Doi a pris l’anode pour peindre le tableau. La dendrite de lithium se produit lorsque des «aiguilles» traversent le séparateur entre l’anode et l’électrolyte solide. Cette rupture peut entraîner des courts-circuits. Par conséquent, l’anode a besoin d’une couche protectrice qui ne doit pas interférer avec la conductivité ionique et empêcher la formation de dendrites. C’est ici que Nissan affirme que l’IA de la NASA a fourni des résultats au-delà des attentes – pourtant, la recherche était en cours, donc Doi, qui n’a pas non plus révélé quelle combinaison de matériaux exacte semblait si prometteuse.

Pour la cathode, Nissan travaille avec UC San Diego. Encore une fois, des charges et des décharges répétées au fil du temps détériorent la cathode, formant une couche de débris autour du matériau actif qui empêche les ions de se déplacer en douceur. De même, une couche protectrice est nécessaire, bien qu’il ne soit pas clair s’ils l’avaient trouvée.

Quel que soit le matériau, toutes les interfaces à l’intérieur nécessitent de la stabilité. Doi dit que toutes les couches doivent avoir un contact stable créé par une pression de surface uniforme. Ils poursuivent également la question avec l’Université Purdue. Dans le même temps, Nissan a souligné que les batteries avaient de l’expérience dans la production de batteries non solides, qui nécessitent également une pression égale.

C’est aussi le fondement de leur principal argument ou hypothèse : « La structure fondamentale d’une batterie tout solide est la même que celle d’une batterie lithium-ion à électrolyte liquide, donc Doi. Il y est secondé par Kenzo Oshihara, en charge de l’ingénierie de production des batteries à semi-conducteurs en tant que directeur général adjoint. “Le processus de conception des batteries liquides et solides est le même”, a-t-il déclaré avant de s’exprimer sur une vidéo montrant une chaîne de production hautement automatisée.

À l’avenir, la production en série dans les délais est-elle réaliste ?

Lorsque nous avons cherché à savoir où se situait réellement Nissan lors de la table ronde plus tard, Oshihara a répondu : « Nous avons construit une batterie de petite taille pour vérifier les performances, donc elles sont déjà testées. Il est maintenant temps d’agrandir la taille. Pourtant, c’est un grand défi de passer finalement de la taille actuelle de la pièce à la presse de 27 cellules par module.

Encore une fois Oshihara : “Nous avons un standard de la batterie à ions liquides.” Il fait référence à la batterie que Nissan utilise avant tout dans la Leaf EV. Et c’est ce qui laisse le constructeur automobile confiant qu’il respectera les délais.

“Je pense que nous sommes l’un des rares équipementiers à avoir une expérience du développement et de la fabrication de batteries en interne au cours des dix dernières années”, a déclaré Doi en faisant référence à la Leaf. Kunio Nakaguro, vice-président exécutif en charge de la R&D, a également soutenu l’argument : “Les connaissances acquises grâce à notre expérience soutiennent le développement de batteries entièrement à l’état solide, et nous avons accumulé d’importantes technologies élémentaires.”

Il a ici inclus même les défis. Se souvenir de la Leaf et de son infâme manque de refroidissement de la batterie au début sera moins un problème dans les ASSB – les batteries à semi-conducteurs nécessitent moins de refroidissement car elles peuvent résister à des températures plus élevées. Nissan spécifie 100 degrés Celsius avant le début de la dégradation. Ceci est crucial pour les processus de charge à haute puissance. C’est aussi une question de conception puisque moins de refroidissement signifie moins d’espace et de poids.

Les batteries à semi-conducteurs sont également généralement saluées comme plus sûres, simplement parce qu’il n’y a pas de piste thermique, littéralement une fuite de liquide inflammable en cas de rupture. Nissan admet cependant que la densité d’énergie est beaucoup plus élevée, donc cela comporte plus de risques, d’autant plus qu’ils utiliseront un électrolyte solide de sulfure organique. S’il entre en contact avec de l’humidité comme dans l’air, du sulfure d’hydrogène peut se produire – un gaz inflammable et toxique.

Nissan souligne à nouveau son expérience et ses tests de sécurité internes sur d’autres matériaux qui sont également appliqués à l’usine pilote. Là, la société affirme qu’elle contrôlera la libération de gaz H2S de la poudre au niveau de la cellule et qu’elle a déjà dû contrôler l’humidité avec la feuille. Encore une fois, l’astuce est dans le matériau. S’il est bien choisi, le sulfure réagit avec le sulfure d’hydrogène et forme une couche protectrice.

“À l’avenir, nos divisions de R&D et de fabrication continueront de travailler ensemble pour utiliser cette installation de production de prototypes et accélérer l’application pratique des batteries à semi-conducteurs”, a déclaré Nakaguro.

L’augmentation de la production peut cependant être une autre affaire. Nous attendons des retours du Japon sur nos questions concernant les volumes ciblés et les modèles potentiels ou ce que cela peut signifier pour l’Alliance avec Renault en Europe.

À l’heure actuelle, la “Nissan Ambition 2030” a étendu l’objectif de Nissan de lancer un véhicule électrique avec des batteries à semi-conducteurs développées en interne d’ici 2028 au niveau de l’Alliance.

En dévoilant l’installation du prototype et en présentant son approche à la presse plus tard, Nissan semble avoir les pieds sur terre et a fait de solides progrès. Cependant, devant conclure ici littéralement, la question de savoir si leurs batteries entièrement à semi-conducteurs émergeront dans les délais et à grande échelle, le temps doit répondre.

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