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Les anodes en silicium sont-elles la clé de l’adoption massive des véhicules électriques ?

Dans un récent rapport IDTechEx, « Technologies avancées de batteries Li-ion 2024-2034 : technologies, acteurs, prévisions », la société a inclus une analyse des derniers développements d’anodes en silicium. Selon le rapport, la maximisation de la densité énergétique a été un domaine d’intérêt clé dans le développement des batteries pour véhicules électriques. Les optimisations dans la conception des cellules et des blocs-batteries, ainsi que l’utilisation de cathodes NMC et NCA en nickel plus grandes, ont conduit à une amélioration constante de la densité énergétique des batteries au cours des 10 à 15 dernières années. La limite de densité énergétique dans la conception actuelle et les itérations de matériaux a été largement maximisée. Cependant, un concurrent prometteur émerge à l’horizon pour proposer une amélioration progressive : le silicium. IDTechEx estime que le marché des matériaux d’anode en silicium pour les batteries Li-ion dépassera 24 milliards de dollars d’ici 2034.

Le silicium a une capacité théorique de près de 3 600 mAh/g (à température ambiante), offrant la possibilité d’augmenter considérablement les densités d’énergie en remplaçant le graphite, utilisé comme matériau d’anode dans la grande majorité des batteries Li-ion, indique le rapport. En remplaçant le graphite, qui a une capacité d’environ 360 mAh/g, par du silicium, des densités d’énergie au niveau des cellules supérieures à 400 Wh/kg et 1 000 Wh/l deviennent réalisables, avec le potentiel de presque doubler la densité d’énergie à l’état passant. . cellules commerciales de nouvelle génération en 2024. Cette augmentation de la densité énergétique pourrait se traduire par des véhicules électriques avec une autonomie deux fois supérieure ou des appareils électroniques avec une autonomie deux fois supérieure, selon le rapport.

Cependant, les avantages du silicium vont au-delà de la capacité et de la densité énergétique, indique le rapport. De nombreuses entreprises d’anodes en silicium font état d’une puissance améliorée et de capacités de charge rapide, une mesure de performance de plus en plus importante pour les véhicules électriques ainsi que pour d’autres applications telles que les outils électriques ou les appareils grand public. De plus, la tension plus positive du silicium par rapport au graphite contribue à réduire le risque de placage au lithium, augmentant ainsi la sécurité des batteries, une autre préoccupation de plus en plus importante pour l’industrie.

Actuellement, les oxydes de silicium ne peuvent être utilisés qu’à des pourcentages pondéraux relativement faibles, <10 %, mais des dizaines d'entreprises, grandes et petites, développent des matériaux d'anode en silicium avancés qui peuvent permettre des pourcentages plus élevés de silicium dans les batteries. Les compositions à dominante silicium restent l'objectif d'un certain nombre d'acteurs, indique le rapport. L'industrie des batteries a pris conscience du potentiel du silicium et IDTechEx estime que plus de 4 milliards de dollars ont été investis dans les start-ups d'anodes en silicium. Une partie de cette évolution commence désormais à s’orienter vers l’expansion des capacités de production, des capacités et des chaînes d’approvisionnement. Les matériaux et solutions développés par certaines de ces entreprises commencent également à être qualifiés et mis en œuvre. Sila Nano a utilisé des matériaux pour les équipements de fitness Whoop, Amprius a utilisé des batteries dans des drones et des pseudo-satellites à haute altitude (HAPS), tandis que Lightning Motors proposera des motos électriques utilisant la technologie Enevate. Les constructeurs automobiles ont également pris note de la promesse des anodes en silicium, Daimler, Porsche et GM investissant et s'associant avec des sociétés d'anodes en silicium.

Cependant, le rapport indique que la commercialisation à grande échelle du silicium présente des défis au-delà de son utilisation comme additif. Une expansion importante du silicium pendant le cyclage peut entraîner des problèmes tels qu’une consommation excessive d’électrolyte, une pulvérisation d’électrode et une perte de contact électrique, d’où l’utilisation de pourcentages relativement faibles de silicium dans l’anode. Des efforts importants ont été déployés pour surmonter ces obstacles, et les données publiées suggèrent que des durées de vie allant jusqu’à 1 000 cycles sont possibles, ce qui rend le silicium généralement adapté aux voitures électriques.

Au-delà du cycle de vie, le rapport indique que la durée de conservation reste une préoccupation, tandis qu’à court et moyen terme, les matériaux d’anode en silicium continueront très probablement à avoir un prix plus élevé que le graphite, à raison de dollars/kWh. Cela peut limiter leur déploiement à des applications où la sensibilité au prix est plus faible, comme les véhicules électriques haut de gamme, les applications militaires ou certains appareils électroniques.

Le rapport révèle que les matériaux avancés d’anode en silicium sont prometteurs pour améliorer les aspects clés des performances des batteries, mais que des défis tels que la durée de vie, la durée de conservation et, plus important encore, le coût doivent être résolus pour une adoption généralisée. Cependant, la mise en œuvre d’un pourcentage plus élevé d’anodes contenant du silicium dans diverses applications semble imminente. La croissance à grande échelle et l’innovation continue permettent également d’être optimiste quant à la réduction des coûts des matériaux d’anode à base de silicium, les rendant abordables pour des segments importants des véhicules électriques grand public.