Résumé :
Les chercheurs tentent d'emprunter la technologie à la fabrication de puces semi-conductrices pour résoudre des problèmes de longue date liés à la fabrication et aux performances des batteries de véhicules électriques de nouvelle génération. En appliquant aux matériaux de batterie des méthodes de traitement de précision utilisées à l'origine pour fabriquer des composants microélectroniques, les scientifiques espèrent créer des composants de batterie plus fins, plus uniformes et structurellement plus stables, améliorant ainsi davantage l'endurance, la vitesse de charge et la durée de vie de la batterie des véhicules électriques.
Après des décennies de développement, les batteries lithium-ion traditionnelles ont fait de grands progrès en termes de densité énergétique, de coût et de fiabilité, mais il est de plus en plus difficile d'améliorer davantage leurs performances. Dans le même temps, les besoins en batteries des véhicules électriques augmentent également. Les constructeurs automobiles espèrent que les batteries pourront stocker plus d’énergie, permettre une charge plus rapide et devront également offrir une plus grande sécurité et une durée de vie plus longue.
Les batteries à l'état solide sont donc considérées comme l'une des orientations importantes pour la prochaine génération de technologie de batteries. Contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, qui utilisent des électrolytes liquides, les batteries à semi-conducteurs utilisent des électrolytes solides, qui devraient augmenter la densité énergétique et réduire le risque de fuite d'électrolyte liquide et d'incendie. Certaines conceptions peuvent théoriquement atteindre des densités énergétiques d’environ 500 Wh/kg, alors que les batteries lithium-ion actuelles utilisant des électrolytes liquides avoisinent généralement 300 Wh/kg.
Mais les batteries à semi-conducteurs restent confrontées à un problème très épineux lorsqu'elles sont commercialisées à grande échelle : le matériau est trop fragile.
Pendant le processus de charge et de décharge de la batterie, les ions lithium continueront à se déplacer à l'intérieur du matériau de l'électrode, provoquant une expansion et une contraction répétées de l'électrode. À mesure que le nombre de cycles augmente, des espaces, des fissures et même des déformations peuvent se produire entre différents matériaux, entravant finalement le mouvement normal des ions lithium et entraînant une diminution progressive de la capacité et des performances énergétiques de la batterie.
Les chercheurs ont donc commencé à chercher des moyens de contrôler plus précisément la structure interne des batteries, et la technologie de fabrication des semi-conducteurs a fourni un ensemble d'outils matures capables de contrôler la structure des matériaux à l'échelle nanométrique après des décennies de développement.
L'un des principaux avantages de l'industrie de fabrication de puces est la capacité de créer des structures très régulières à des échelles extrêmement petites. Les transistors et les structures d'interconnexion des puces avancées sont devenus aussi petits que les nanomètres, et le processus de fabrication nécessite un contrôle précis du dépôt de matériaux, de la gravure, de la configuration et des structures intercouches. Les chercheurs espèrent appliquer des idées similaires à la fabrication de batteries et réduire les défauts difficiles à contrôler dans le processus de fabrication traditionnel grâce à une conception structurelle plus raffinée des matériaux des batteries.
L'une des orientations clés consiste à utiliser des méthodes similaires au traitement des plaquettes semi-conductrices pour créer des structures en couches minces dans les batteries. Contrairement à la fabrication traditionnelle de batteries, qui repose principalement sur le revêtement, le pressage et le séchage, le processus de fabrication des puces peut former un film nanométrique très uniforme sur la surface du matériau et contrôler avec précision l'interface entre les différents matériaux.
Cette capacité est particulièrement importante pour les batteries à semi-conducteurs, car l'interface entre les matériaux solides détermine directement si les ions lithium peuvent passer sans problème. S'il y a de minuscules fissures, des vides ou une répartition inégale des matériaux au niveau de l'interface, cela peut augmenter la résistance à la transmission des ions et réduire les performances de la batterie.
Les chercheurs espèrent utiliser la technologie de dépôt de couches minces et de micro-nano-traitement dans le domaine de la fabrication de semi-conducteurs pour créer une structure d'électrode et d'électrolyte plus uniforme à l'intérieur de la batterie, réduisant ainsi les contraintes mécaniques générées lors de la charge et de la décharge.
Cette idée ne consiste pas simplement à déplacer un ensemble complet de lignes de production de puces vers l'usine de batteries, mais à sélectionner des processus et des équipements adaptés à la fabrication de batteries. Étant donné qu’il existe d’énormes différences en termes de matériaux, de taille et d’échelle de production entre les batteries et les puces, le coût de production de batteries entièrement utilisant des méthodes de fabrication de semi-conducteurs sera probablement inacceptablement élevé.
La solution ayant une réelle importance commerciale consiste à utiliser les principes de traitement micro-nano qui ont été éprouvés par l'industrie des puces et à reconcevoir le processus afin qu'il puisse s'adapter à la fabrication sur grande surface, à haut rendement et à faible coût requise par les batteries.
C'est l'un des principaux défis auxquels sont actuellement confrontés les chercheurs. Les plaquettes de puce ne mesurent généralement que quelques dizaines de centimètres ou moins, tandis que la surface des électrodes d'une batterie de voiture peut atteindre plusieurs mètres carrés. La production de batteries nécessite également le traitement de grandes quantités de matériaux actifs, de sorte que tout nouveau processus doit équilibrer la précision à l’échelle nanométrique et l’efficacité de la production à l’échelle industrielle.
Les chercheurs pensent que si ce problème de mise à l'échelle peut être résolu, l'expérience accumulée au fil des décennies dans l'industrie de fabrication de semi-conducteurs pourrait ouvrir une nouvelle voie technique pour l'industrie des batteries.
Dans le même temps, les chercheurs en batteries tentent également d'améliorer les structures des électrodes en utilisant d'autres technologies de fabrication avancées. Par exemple, en contrôlant avec précision la disposition des particules de matériau d'électrode, suffisamment de canaux ioniques peuvent être conservés tout en augmentant la proportion de matériaux actifs ; en contrôlant la structure des pores, l'électrolyte peut pénétrer plus uniformément dans l'électrode.
Pour les batteries à semi-conducteurs, l'interface de contrôle est particulièrement critique. Les électrolytes liquides traditionnels peuvent combler les minuscules espaces entre les électrodes, tandis que les électrolytes solides ne peuvent pas s'écouler seuls dans ces zones comme les liquides. Par conséquent, les électrodes et les électrolytes doivent être en très bon contact lors de la phase de fabrication.
Les technologies de dépôt de couches minces, de traitement de surface et de structuration à l'échelle nanométrique dans la technologie de fabrication de puces peuvent aider les chercheurs à gérer ces interfaces avec plus de précision.
Un transfert de technologie similaire entre domaines a effectivement eu lieu dans l'industrie des batteries. Dans le passé, certains fabricants de batteries ont introduit des équipements et des processus issus des industries de fabrication de semi-conducteurs, d’écrans d’affichage et de précision de couches minces, car ces industries doivent également créer des structures de couches minces extrêmement uniformes sur des substrats de grande surface.
Les chercheurs accordent également une attention particulière aux électrodes en silicium. Le silicium peut théoriquement stocker beaucoup plus de lithium que le graphite, il est donc considéré comme un matériau important pour améliorer la densité énergétique des batteries lithium-ion. Cependant, le silicium subit des changements de volume très importants lors de la charge et de la décharge, ce qui peut facilement provoquer la rupture de la structure de l'électrode.
Si le matériau de silicium peut être conçu structurellement plus précisément grâce à la technologie de fabrication micro-nano, il peut réserver de l'espace pour l'expansion du matériau dans une certaine mesure et améliorer le chemin de transmission des électrons et des ions lithium.
Cette idée signifie que la fabrication de batteries à l'avenir pourrait ressembler de plus en plus à une « ingénierie des matériaux » hautement sophistiquée. Les performances des batteries ne sont plus déterminées uniquement par les formulations chimiques, mais également par la disposition des matériaux à l'échelle nanométrique, la structure de l'interface et la répartition des pores.
Les chercheurs espèrent parvenir à terme à une manière plus précise de fabriquer des batteries : contrôler l'épaisseur de chaque couche de matériau, le contact entre chaque matériau et la trajectoire du mouvement des ions à l'échelle microscopique, tout en maintenant une efficacité de production suffisamment élevée à l'échelle macroscopique.
En cas de succès, ce type de technologie pourrait améliorer simultanément plusieurs paramètres de la batterie. Une structure plus uniforme peut réduire la résistance interne et augmenter la vitesse de charge ; une interface plus stable peut réduire les fissures et les pertes de matériaux pendant le cyclisme, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie ; une proportion plus élevée de matériaux actifs a la possibilité d'augmenter l'énergie stockée par unité de poids.
Cependant, passer de la technologie de laboratoire à l'industrie automobile nécessite encore une longue période de vérification. Non seulement les batteries des véhicules électriques doivent être testées des centaines, voire des milliers de fois en laboratoire, mais elles doivent également être capables de résister à des températures élevées, basses, aux vibrations, aux collisions et aux contraintes mécaniques constantes qui se produisent au fil des années d'utilisation.
Plus important encore, tout nouveau processus de fabrication doit en fin de compte s'avérer compétitif en termes de coûts par rapport aux lignes de production de batteries lithium-ion établies. La production des batteries automobiles est bien supérieure à celle de la plupart des appareils électroniques haut de gamme. Ainsi, même si une technologie peut atteindre une précision nanométrique extrêmement élevée, il sera difficile de véritablement entrer dans l'industrie automobile si la vitesse de production est trop lente ou si le coût de l'équipement est trop élevé.
Ainsi, au lieu d'essayer de transformer une batterie en une puce géante, les chercheurs s'appuient désormais sur ce que l'industrie des semi-conducteurs fait de mieux : contrôler les matériaux et les interfaces avec une extrêmement haute précision.
Si ces technologies peuvent éventuellement être appliquées à grande échelle, les futures batteries de véhicules électriques pourraient acquérir des capacités de contrôle structurel à l'échelle nanométrique similaires à celles des puces avancées au cours du processus de fabrication. Cela pourrait non seulement promouvoir la commercialisation accrue des batteries à semi-conducteurs, mais également améliorer les performances des batteries lithium-ion de nouvelle génération, des batteries à anode en silicium et d'autres nouvelles technologies de stockage d'énergie.
Pour l'industrie des véhicules électriques, le prochain cycle de compétition en matière de technologie des batteries ne consistera peut-être plus à trouver un « nouveau matériau magique », mais à savoir comment utiliser des méthodes de fabrication plus sophistiquées pour combiner des matériaux existants dans des batteries plus performantes. L’expérience en matière de traitement des micro-nano accumulées par l’industrie de fabrication de puces depuis des décennies est en train de devenir un ensemble important d’outils techniques que les chercheurs en batteries tentent d’emprunter.
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