Comment les développements scientifiques et technologiques pourraient apporter le silicium

Jun 20, 2023

Sila Nanotechnologies est un développeur de matériaux pour batteries dont la technologie révolutionnaire, nommée « Titan Silicon », est une anode en silicium nano-composite (NCS).

Les matériaux de la société améliorent les performances des batteries des appareils électroniques grand public et sont destinés à alimenter les véhicules électriques (VE), à commencer par la série Mercedes-Benz Classe G.

Dans une interview avec Fastmarkets, Yushin s'est penché sur les développements qui ont rendu le NCS de l'entreprise viable pour les anodes à dominante silicium et sur ce que le matériau offre aux fabricants de véhicules électriques et de batteries.

Yushin estime que la technologie pourrait aider à atténuer les tensions d’approvisionnement et la disparité géographique dans la production d’une autre matière première clé pour les batteries (BRM) : le graphite.

Contrairement à la majeure partie du graphite mondial, le NCS de Sila est fabriqué aux États-Unis, ce qui signifie qu'il s'aligne sur la volonté occidentale renouvelée de sécuriser les chaînes d'approvisionnement d'un plus grand nombre de matières premières, en particulier celles essentielles à la transition énergétique.

Alors que le silicium et ses composés étaient auparavant utilisés en quantités limitées dans les anodes, ce sont des développements plus récents qui ont permis d'utiliser ce matériau à des concentrations plus élevées dans les anodes, surmontant ainsi les défis liés à la dégradation des batteries en particulier.

En offrant une capacité plus élevée par rapport au graphite traditionnellement utilisé, les électrodes à base de NCS sont plus fines, réduisant ainsi la distance de diffusion lithium-ion et contribuant à générer des avantages en termes de coûts, a expliqué Yushin.

La technologie offre également une densité énergétique plus élevée (Titan Silicon augmente la densité énergétique jusqu'à 40 %) et une charge plus rapide par rapport aux batteries lithium-ion (LIB) actuelles à base de graphite, a-t-il déclaré.

Yushin a calculé qu'à leur limite, le coût des LIB à anode en graphite resterait autour de 100 $/kWh au niveau du pack.

Les anodes et cathodes NCS de nouvelle génération de Sila, a déclaré Yushin, « contribueront à réduire les coûts des packs LIB à 50 $/kWh, ce qui en fera une technologie appropriée pour alimenter le marché en plein essor des véhicules électriques ».

L'équipe de modélisation du coût des cellules de Fastmarkets estime que l'anode représente généralement 10 à 15 % du coût total d'une cellule nickel-cobalt-manganèse (NCM) typique, la cathode contribuant à hauteur de 50 à 60 %.

« Bien que les améliorations apportées à l'anode soient importantes pour une charge rapide, une durée de vie et des performances générales, ce sont les progrès du côté de la cathode (ainsi que la baisse des prix des matières premières cathodiques) qui réduiront réellement le coût global des cellules. L'amélioration des processus de fabrication et la réduction des déchets dans les giga-usines joueront également un rôle important », a déclaré Muthu Krishna, modélisateur des coûts cellulaires de Fastmarkets.

"La densité énergétique des cellules dépend à la fois de l'anode et de la cathode, principalement de leurs capacités et de leur potentiel électrochimique", a déclaré Yushin.

« Le NCS à très haute capacité, associé aux cathodes de nouvelle génération, permettra de multiplier par deux la densité énergétique… Cela signifie que 50 % de cellules en moins seraient nécessaires pour que le pack LIB offre à peu près la même énergie », a-t-il déclaré.

De même, la taille et le prix d'un pack LIB seraient environ 50 % plus petits, selon Yushin.

"Notez que les mêmes cathodes de nouvelle génération ne peuvent pas offrir des améliorations majeures en termes de performances lorsqu'elles sont associées à des anodes en graphite", a-t-il déclaré.

Ces développements ont conduit à un changement majeur dans la façon dont les anodes à base de silicium sont perçues.

"Il y a dix ans, en raison des difficultés scientifiques et technologiques surmontées par de nombreux défis techniques, la plupart des acteurs de l'industrie ne croyaient pas que les anodes en silicium pourraient bientôt devenir une réalité", a déclaré Yushin.

"La principale question que nous entendons maintenant est de savoir à quelle vitesse nous pouvons augmenter la production de Titan Silicon pour répondre aux demandes en termes de TWh", a-t-il ajouté.

Au cours des dernières années, certains grands fabricants de batteries ont commencé à introduire de petites quantités d’oxyde de silicium produit au Japon ou en Chine dans les anodes en graphite afin d’améliorer légèrement la densité ou le taux d’énergie du LIB tout en évitant une dégradation excessive.

Cependant, l'idée d'anodes à dominante silicium était hors de question, a déclaré Yushin.

« Désormais, le Titan Silicon peut être utilisé à plus de 50 % en poids ou remplacer entièrement le graphite dans les anodes », a-t-il déclaré.