En 1992, Sony a déclenché une révolution dans le domaine de l’électronique portable. Tirant parti de décennies de recherche en laboratoire sur les batteries lithium-ion, la société japonaise a pu introduire des produits tels que des téléphones portables et des caméras vidéo portables qui ont changé la vie de milliards de consommateurs.
Les batteries soutiennent désormais la tâche prodigieuse de refonte du système mondial d’énergie et de transport afin de réduire la dépendance aux combustibles fossiles. Même si le coût de fabrication des batteries lithium-ion a chuté, permettant aux ventes de voitures électriques de décoller ces dernières années, les fondements de la technologie sont restés peu modifiés depuis sa commercialisation.
Toutefois, après trois décennies d’optimisation progressive, cette orthodoxie pourrait bientôt être bouleversée. Toyota, le plus grand constructeur automobile mondial, a indiqué ces dernières semaines qu’il était sur le point de réaliser une percée dans la fabrication d’une technologie potentiellement révolutionnaire : les batteries à semi-conducteurs. Le battage médiatique s’est développé depuis une série d’annonces sur la technologie de nouvelle génération par le constructeur automobile japonais en juin. Depuis, sa capitalisation boursière a bondi de 26 milliards de dollars.
En cas de succès, Toyota pourrait commencer à vendre des véhicules électriques plus sûrs, capables de se recharger plus rapidement et capables de parcourir 1 200 kilomètres avec une seule charge, soit environ le double de la moyenne actuelle de l’entreprise, dès 2027.
« Une course est lancée dans le monde entier pour réussir dans le domaine des batteries à semi-conducteurs », déclare Peter Bruce, co-fondateur et scientifique en chef de la Faraday Institution, un institut britannique de recherche sur les batteries. « Si Toyota ou n’importe qui d’autre réussit à fabriquer des batteries à semi-conducteurs qui soient compétitives en termes de coûts et offrent la durée de vie nécessaire, ils pourraient alors offrir une densité énergétique accrue et une charge en 10 minutes. S’ils atteignent ces paramètres, cela sera perturbateur.
Si la technologie est introduite avec succès, l’impact pourrait être dramatique. Cela bouleverserait l’industrie automobile, où les ventes de véhicules électriques et de batteries sont actuellement dominées par Tesla, ainsi que par les chinois BYD et CATL ; cela aurait des implications géopolitiques étant donné l’inquiétude occidentale face à la domination actuelle de la Chine dans le domaine des batteries et de leurs matières premières ; et cela pourrait ouvrir l’application des batteries à de nouveaux domaines de transport tels que l’aviation.
Certains observateurs pensent que ce changement pourrait être aussi important que celui des téléphones filaires et fixes vers les téléphones mobiles.
Mais la technologie des batteries à semi-conducteurs n’est pas sans susciter des sceptiques. Les critiques se demandent si les questions scientifiques fondamentales ont été abordées ; d’autres se demandent si une fabrication de masse à grande vitesse pourra un jour être réalisée ou si un marché important existera un jour.
« L’engouement suscité par les batteries à semi-conducteurs implique que l’ensemble des solutions existantes n’est pas suffisant. Ce n’est évidemment pas vrai. Les ventes augmentent de 20 à 30 pour cent par année et presque tous ceux qui les essaient disent qu’ils n’y retourneront jamais », explique Alex Brooks, analyste chez Canaccord Genuity. « En ce moment, c’est un projet de recherche très médiatisé. »
La dernière affirmation de Toyota concernant une percée a relancé la question de savoir dans combien de temps les batteries à semi-conducteurs apporteront une contribution majeure à la décarbonation du système de transport mondial. Venkat Srinivasan, directeur du Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, un laboratoire financé par le gouvernement américain, les considère comme le « Saint Graal » de l’industrie des batteries à long terme.
« Mais s’agit-il d’innovations intéressantes à l’échelle du laboratoire qui ont encore un grand pont à franchir avant d’être fabriquées, ou s’agit-il de quelque chose qui pourra bientôt être produit à grande échelle ? il demande. « J’ai encore du mal avec ça. »
Une base solide
Toutes les batteries fonctionnent de la même manière : un flux d’atomes chargés électriquement, appelés ions, circule à travers un matériau chimique appelé électrolyte, de l’anode à la cathode, les deux électrodes de la cellule, générant ainsi un courant.
Les batteries à semi-conducteurs diffèrent des cellules lithium-ion actuelles en ce sens que l’électrolyte est solide plutôt que liquide. Différents matériaux, notamment des polymères, des oxydes et des sulfures, sont testés comme électrolytes potentiels. Les voitures utilisant des batteries à semi-conducteurs seraient beaucoup plus sûres, car les électrolytes liquides peuvent présenter un plus grand risque d’incendie.
Changer l’électrolyte à lui seul n’entraînerait pas nécessairement une modification radicale des performances de la batterie. Le véritable engouement repose sur un développement technologique qu’il permettrait : les anodes au lithium métal. Remplacer le graphite utilisé dans les anodes actuelles permettrait de doubler l’autonomie de la batterie, en partie parce qu’elle serait plus légère.
Les batteries à semi-conducteurs sont confrontées depuis longtemps à des défis technologiques fondamentaux. L’une est la difficulté de maintenir les performances de la batterie et d’éviter les pannes, car des charges et décharges répétées provoquent la formation de dendrites, des amas de lithium, qui peuvent conduire à des fissures. Un autre défi consiste à permettre un contact stable entre les matériaux solides.
La première « percée », revendiquée par Toyota en juin, concernait la résolution des problèmes techniques de durabilité, même si les détails étaient rares sur le type de matériaux qui ont conduit à cette percée. La semaine dernière, elle a annoncé un partenariat avec le groupe pétrochimique Idemitsu Kosan pour développer et produire conjointement un électrolyte sulfuré, qui, selon elle, serait la clé de sa commercialisation d’ici cinq ans.
« Nous sommes convaincus que les électrolytes solides à base de sulfure constituent la solution la plus prometteuse aux problèmes de batterie des véhicules électriques tels que l’autonomie de croisière et les temps de charge », a déclaré Shunichi Kito, directeur général d’Idemitsu, lors d’une conférence de presse conjointe avec Toyota.
Les scientifiques s’accordent de plus en plus sur le fait que les défis technologiques fondamentaux ne semblent plus insurmontables. Cela constitue le prochain défi : passer à la production de masse. Le processus d’assemblage constitue l’un des plus grands obstacles, car les couches de cellules cathode-anode doivent être empilées rapidement et avec une grande précision, sans endommager les matériaux.
Les ingénieurs de Toyota ont également revendiqué des avancées dans ce domaine. Le groupe est désormais de plus en plus convaincu de pouvoir empiler les cellules au même rythme que les batteries lithium-ion actuelles.
Pourtant, d’autres obstacles techniques doivent être surmontés pour parvenir à une production de masse à grande échelle. « Nous avons encore besoin d’une percée en termes de garantie du volume et de la qualité des matériaux des batteries », a déclaré l’un de ses ingénieurs lors d’une visite de l’usine le mois dernier.
Impact mondial
L’introduction des batteries à semi-conducteurs pourrait avoir un impact profond sur l’avenir de l’industrie automobile mondiale.
À l’heure actuelle, la Chine a le potentiel de dominer la prochaine étape de l’industrie en raison de son leadership en matière de technologie et de fabrication de batteries : elle a produit plus de 75 % des batteries dans le monde l’année dernière, selon l’Agence internationale de l’énergie.
CATL est de loin le plus grand fabricant de batteries au monde, avec une part de marché de 37 pour cent. L’entreprise basée à Ningde est le fabricant de batteries le plus rentable et dispose d’un formidable avantage en termes de coûts, en partie grâce à sa taille et à ses investissements en recherche et développement.
L’état solide pourrait être le seul moyen de devancer Pékin dans la course aux batteries. Toyota est loin d’être la seule entreprise à investir dans cette technologie. Nissan et Honda ont leurs propres programmes. Les trois principaux producteurs de batteries sud-coréens – LG Energy Solution, Samsung SDI et SK On – ont tous déclaré leur intention de développer de telles cellules d’ici la fin des années 2020. Les start-up américaines QuantumScape et Solid Power, respectivement partenaires de Volkswagen et BMW, ont des dates cibles de commercialisation similaires pour leurs propres technologies.
Akitoshi Hayashi, professeur à l’Université métropolitaine d’Osaka, affirme qu’il sera « extrêmement difficile » de produire en masse des batteries à semi-conducteurs de la même qualité que les batteries lithium-ion actuelles, mais si cela est réalisé, la technologie sera « mondialement imbattable ».
« Les batteries à semi-conducteurs seront essentielles à la relance des constructeurs automobiles japonais, qui sont en retard dans leur stratégie de VE, et pour le Japon, qui a perdu des parts de marché mondiales dans les batteries lithium-ion », ajoute-t-il.
La Chine contrôle également le traitement des matières premières des batteries. Les batteries à semi-conducteurs pourraient réduire certaines vulnérabilités telles que la dépendance actuelle au graphite, sur laquelle Pékin a imposé des restrictions à l’exportation la semaine dernière. Mais ils ne feraient pas grand-chose pour atténuer les pénuries de lithium prévues, car ils consommeraient encore plus que les batteries actuelles.
Les leaders de l’industrie en Chine et en Corée sont moins optimistes quant à la réalisation de leurs promesses par les batteries à semi-conducteurs. Selon un proche du CATL, les chercheurs du groupe chinois travaillent depuis une décennie à cracker les batteries à semi-conducteurs. Ils n’ont pas encore trouvé de système rentable pour la production de masse – et, en interne chez CATL, certains doutent que Toyota y soit parvenu.
Les dirigeants de l’industrie coréenne sont du même avis. « Développer un produit et le commercialiser sont deux choses différentes », explique un dirigeant. « Toyota parle de production de masse de batteries à semi-conducteurs depuis [more than] 10 ans, mais ils continuent de retarder le calendrier.
Obstacles à la fabrication
Même si les défis technologiques et de mise à l’échelle peuvent être surmontés, on ne sait pas encore si les batteries à semi-conducteurs peuvent réduire les coûts de production à temps pour accélérer le déploiement mondial des véhicules électriques.
Les économies d’échelle contribueront à réduire les coûts. Mais les performances et le coût des batteries lithium-ion actuelles s’améliorent également constamment, à mesure que d’autres technologies telles que les anodes en silicium progressent. L’extrême sensibilité des batteries à semi-conducteurs à l’humidité et à l’oxygène pourrait maintenir les coûts de fabrication élevés, tandis que leur complexité pourrait nécessiter une refonte coûteuse des véhicules électriques.
Si les coûts ne baissent pas suffisamment, les batteries à semi-conducteurs pourraient finir par être limitées aux voitures de luxe ou aux camions. Kim Dong-myung, directeur de la division des batteries automobiles avancées de la société coréenne LGES, affirme que leur production est « trop coûteuse » et qu’il y aura « des applications très limitées ». Même si tout se passe comme prévu, les batteries à semi-conducteurs ne pourront représenter qu’environ 10 % du marché global des véhicules électriques d’ici 2035, estime Lee Kyung Sub, responsable de l’activité matériaux pour batteries du conglomérat coréen Posco.
Le directeur général de Toyota, Koji Sato, a lui-même hésité à qualifier les batteries à semi-conducteurs de « changeur de jeu » dans la victoire dans la course mondiale aux véhicules électriques. Sato a indiqué que les batteries à semi-conducteurs seraient initialement déployées en petits volumes dans les modèles haut de gamme, tandis que les batteries lithium-ion continueraient à être utilisées pour les voitures plus abordables.
« La technologie des batteries à semi-conducteurs sera un facteur extrêmement important pour renforcer notre force globale dans les différents produits de batteries que nous proposons », a déclaré Sato la semaine dernière. « Mais les batteries à elles seules ne détermineront pas la valeur de notre véhicule. »
De nombreux dirigeants de l’industrie s’accordent sur le fait que les technologies constitutives des semi-conducteurs seront progressivement intégrées dans les batteries actuelles. CATL semble avoir l’intention de faire exactement cela, en dévoilant en avril une nouvelle batterie « condensée » ou « semi-solide » avec une densité énergétique double des modèles actuels.
« Une batterie entièrement solide est un idéal pour ce que nous voulons atteindre », déclare Glen Merfeld, directeur de la technologie chez Albemarle, le plus grand producteur mondial de lithium. « Les batteries lithium-ion d’aujourd’hui finiront par évoluer pour ressembler à cela. »
Malgré tous les obstacles techniques qui subsistent, certains observateurs estiment que l’impact potentiel pourrait être profond. Une batterie aux performances considérablement améliorées pourrait ouvrir la voie à une refonte de nombreux aspects de la mobilité mondiale, allant des robots-taxis à l’aviation régionale et à de nouveaux types de drones.
« L’état solide doit remplir une mission. Le travail des nouvelles batteries n’est jamais de remplacer les vieilles batteries. Il s’agit de débloquer des choses que nous ne pouvions pas faire auparavant », explique Shirley Meng, professeur de batteries à l’Université de Chicago. « En tirant parti de la nouvelle autonomie et du nouveau temps de recharge, les constructeurs automobiles japonais réinventent l’avenir du transport. »
Reportage supplémentaire d’Edward White à Séoul