La technologie des batteries^(Battery) a parcouru un long chemin au fil des ans. Des gadgets comme les drones et les smartphones ne seraient pas pratiques sans une technologie de batterie moderne et avancée. 

Cependant, les batteries pourraient toujours être meilleures ! 

Les batteries à semi-conducteurs semblent être la prochaine grande avancée et les produits qui les utilisent sont au coin de la rue. Cela signifie que c'est le moment idéal pour vous familiariser avec ce qu'ils sont et pourquoi ils sont importants.

Que signifie « état solide » ?

Qu'il s'agisse d'une batterie de voiture au plomb, d'articles jetables alcalins ou de batteries au lithium polymère^{(lithium polymer batteries)} dans un téléphone, ils utilisent tous un électrolyte liquide. L'électrolyte est une substance conductrice qui relie les deux bornes internes de la batterie. Les électrons traversent l'électrolyte, permettant à la batterie d'accumuler une charge électrique ou de la décharger.

Une batterie à semi-conducteurs utilise un électrolyte solide, au lieu de l'électrolyte liquide traditionnel. C'est la seule différence fondamentale entre les deux technologies de batterie. Cela semble assez simple, mais les ingénieurs et les scientifiques luttent depuis des décennies pour trouver un matériau solide pouvant agir comme un électrolyte.

Qu'est-ce qui est difficile^(Hard) avec les batteries à semi-^{(Solid State)} conducteurs ?

Divers matériaux, tels que les céramiques et les métaux lithium, offrent un potentiel en tant qu'électrolytes à l'état solide. Le problème est que l'approche céramique a entraîné de mauvaises performances de la batterie. Les métaux lithium sont prometteurs, mais ont un défaut fatal. Au fur et à mesure que la batterie est chargée et déchargée, des « dendrites » métalliques se développent à travers l'électrolyte. La batterie peut subir un court-circuit et devenir un danger.

Trouver des solutions pratiques et économiquement viables à ces problèmes a été la mission de plusieurs entreprises et équipes de recherche au cours des dernières années. Maintenant, ce travail est sur le point de payer. 

Pourquoi passer par tous ces ennuis? Examinons les avantages que promettent les batteries à semi-conducteurs par rapport aux batteries traditionnelles.

Sécurité

Les batteries stockent de grandes quantités d'énergie et il y a toujours un danger que cette énergie puisse être libérée de manière incontrôlée. Lorsque cela se produit, cela peut signifier un incendie, des explosions et d'autres résultats indésirables. Les batteries à semi-conducteurs, en supposant que le problème des dendrites soit résolu, promettent d'être plus sûres et plus stables. D'une part, ils ne sont pas inflammables, donc les incendies de batterie devraient appartenir au passé.

Ceci n'est pas seulement important pour les véhicules électriques tels que les voitures et les drones, mais également pour les appareils électroniques personnels tels que les smartphones et les ordinateurs portables. De nombreuses personnes sont blessées chaque année par des incendies de batterie dans leurs gadgets électroniques. Des maisons entières ont été réduites en cendres !

Vitesse de recharge

Les batteries au lithium modernes peuvent se recharger à des vitesses impressionnantes^{(charge at impressive speeds)} , mais elles mettent encore beaucoup de temps à se remplir. Il y a une limite à la quantité d'énergie que vous pouvez verser dans une batterie lithium-ion traditionnelle avant que tout ne dérape. Les batteries à semi-conducteurs promettent de se recharger jusqu'à six fois plus rapidement que les batteries que nous utilisons actuellement. Cela signifie recharger votre téléphone de vide à plein en cinq minutes ou charging an electric car to 80% in 15 .

Capacité énergétique et taille

Les batteries au lithium^(Lithium) -ion ont actuellement la densité d'énergie la plus élevée de tous les types de batteries vendues au public. Pourtant, il est encore bien moins dense que l'essence. Bien que les batteries à semi-conducteurs ne mettent pas les batteries au même niveau que le gaz, elles promettent de plus que doubler la densité d'énergie par volume. 

En d'autres termes, si vous changez la batterie de votre téléphone à l'aide d'un modèle à semi-conducteurs, elle pourrait théoriquement fonctionner deux fois plus longtemps sans augmenter de taille. C'est encore un autre argument de vente important pour les véhicules électriques, qui ne sont pas aussi populaires qu'ils pourraient l'être, en raison de l'anxiété liée à l'autonomie.

Durée de vie et durabilité

La plupart des batteries lithium-ion actuelles commencent à se dégrader après environ 500 cycles complets de charge-décharge. Après ce point, la batterie commence à perdre sa capacité^{(battery begins to lose its capacity)} jusqu'à ce qu'elle puisse à peine tenir une charge. Dans les smartphones, qui ont désormais tendance à avoir des batteries scellées, cela impose une limite stricte à la durée de vie de l'appareil. Les batteries à semi-conducteurs promettent d'augmenter considérablement cette limite. Jusqu'à cinq fois. 

Ainsi, là où une batterie de téléphone à usage quotidien typique pourrait commencer à se dégrader après deux à trois ans, une batterie à semi-conducteurs conserverait sa capacité nominale jusqu'à quinze ans^{(fifteen years)} . Dans les voitures électriques, où le remplacement des batteries est extrêmement coûteux, cela pourrait avoir un effet dramatique sur le coût de possession de cette catégorie de véhicules. 

Faiblesses de la batterie à semi-conducteurs

Si tout cela semble trop beau pour être vrai, il y a quelques mises en garde concernant la technologie. Certains d'entre eux doivent encore être résolus avant l'adoption généralisée de la technologie des batteries à semi-conducteurs.

• Le coût^{(Cost )} est peut-être le plus grand ennemi. Les^(Research) équipes de recherche et les startups travaillent dur pour rendre le processus de production de ces batteries moins cher et évolutif. Certaines entreprises prétendent être proches, mais nous ne saurons pas à quel point elles ont réussi tant que nous n'aurons pas vu les prix réels des produits équipés de ces batteries.

• Ces batteries luttent également à basse température^{(struggle at low temperatures)} . Par conséquent, les solutions qui consistent à les isoler ou à les maintenir à une bonne température de fonctionnement font partie du défi.

Quand pouvez-vous acheter des batteries à semi- conducteurs ?^{(Solid State)}

Il existe quelques entreprises comme Solid Power et QuantumScape , qui prétendent être à la pointe des applications commerciales de batteries à semi-conducteurs. 

Toyota prévoit de vendre des véhicules électriques à batterie à semi-conducteurs dès 2021 . Solid Power et QuantumScape visent^{(QuantumScape)} un déploiement de batteries pour véhicules en 2022 et 2024 respectivement. Cela signifie que dans les deux prochaines années, nous pourrions être au début d'une révolution de la batterie. 

C'est avant même d'entrer dans les possibilités qui découlent de l'utilisation du graphène. Ce matériau merveilleux promet des batteries encore meilleures, qu'elles contiennent des électrolytes liquides ou solides. Faire en sorte que le graphène joue au ballon a échappé aux scientifiques et aux ingénieurs plus longtemps que prévu, mais vous pouvez déjà acheter une banque d'alimentation hybride en graphène^{(hybrid graphene powerbank)} dès maintenant. Vraiment^(Truly) , l'avenir est ici.

What Are Solid State Batteries and Why Are They Important?

Battery technology has come a long waу over the years. Gadgets like drones and smartphones would be impractical without advanced modern battery technology. 

However, batteries could always be better! 

Solid state batteries seem to be the next big advancement and products that use them are around the corner. This means now is the perfect time to familiarize yourself with what they are and why they’re important.

What Does “Solid State” Mean?

Whether it’s a lead acid car battery, alkaline disposables, or lithium polymer batteries in a phone, they all use a liquid electrolyte. The electrolyte is a conductive substance that connects the two internal terminals of the battery. Electrons flow through the electrolyte, allowing the battery to either build up an electrical charge or to discharge it.

A solid state battery uses a solid electrolyte, instead of the traditional liquid electrolyte. That’s the only fundamental difference between the two battery technologies. It sounds simple enough, but engineers and scientists have been struggling for decades to come up with a solid material that can act as an electrolyte.

What’s Hard About Solid State Batteries?

Various materials, such as ceramics and lithium metals, offer potential as solid state electrolytes. The problem is that the ceramic approach has resulted in poor battery performance. Lithium metals are promising, but have a fatal flaw. As the battery is charged and discharged, metal “dendrites” grow through the electrolyte. The battery can short-circuit and turn into a hazard.

Finding practical and economically viable solutions to these issues has been the mission of several companies and research teams over the past few years. Now that work is about to pay off. 

Why go through all this trouble? Let’s look at the benefits that solid state batteries promise over traditional ones.

Safety

Batteries store large amounts of energy and there’s always a danger that this energy can be released in an uncontrolled way. When that happens, it can mean fire, explosions and other unwanted outcomes. Solid state batteries, assuming the dendrite issue is resolved, promise to be safer and more stable. For one thing, they aren’t flammable, so battery fires should be a thing of the past.

This is not only important for electric vehicles such as cars and drones, but also for personal electronics such as smartphones and laptops. Many people are injured every year by battery fires in their electronic gadgets. Entire houses have been burned to the ground as a result!

Recharge Speed

Modern lithium batteries can charge at impressive speeds, but they still take a long time to fill up. There’s a limit to how much energy you can pour into a traditional lithium ion battery before it all goes sideways. Solid state batteries promise to charge as much as six times faster than the batteries we currently use. That means charging up your phone from empty to full in five minutes or charging an electric car to 80% in 15.

Energy Capacity and Size

Lithium ion batteries currently have the highest energy density of any battery type sold to the public. Yet it’s still many times less dense than gasoline. While solid state batteries don’t bring batteries up to par with gas, it does promise to more than double the energy density per volume. 

In other words, if you changed the battery in your phone using a solid state model, it could theoretically run twice as long without increasing in size. This is yet another big selling point for electric vehicles, which aren’t as popular as they could be, thanks to range anxiety.

Lifespan and Durability

Most current lithium ion batteries start to degrade after about 500 full charge-discharge cycles. After that point the battery begins to lose its capacity until it can barely hold a charge at all. In smartphones, which now tend to have sealed batteries, this puts a hard limit on device lifespan. Solid state batteries promise to greatly increase that limit. As much as five times. 

So, where a typical daily-use phone battery might start to degrade after two to three years, a solid state battery would remain at its rated capacity for up to fifteen years. In electric cars, where the replacement of batteries is extremely costly, that could have a dramatic effect on the cost of ownership for this class of vehicles. 

Solid State Battery Weaknesses

If this all sounds too good to be true, there are a few caveats to the technology. Some of these still need to be solved before widespread adoption of solid state battery technology is achieved.

• Cost is perhaps the greatest foe. Research teams and startup companies are working hard on making the production process for these batteries cheaper and scalable. Some companies claim to be close, but we won’t know how successful they’ve been until we see the actual prices on products with these batteries.

• These batteries also struggle at low temperatures. Therefore, solutions that involve insulating them or keeping them at a good operational temperature are part of the challenge.

When Can You Buy Solid State Batteries?

There are a few companies like Solid Power and QuantumScape, which claim to be at the cusp of commercial solid state battery applications. 

Toyota plans to have solid state battery electric vehicles for sale as early as 2021. Both Solid Power and QuantumScape are aiming for a rollout of batteries for vehicles in 2022 and 2024 respectively.  This means that in the next couple of years we could be right at the start of a battery revolution. 

That’s before we even get into the possibilities that come from using graphene. This wonder material promises even better batteries, whether they have liquid or solid electrolytes in them. Getting graphene to play ball has eluded scientists and engineers for longer than expected, but you can already buy a hybrid graphene powerbank right now. Truly, the future is here.

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