Avez-vous déjà été confronté à ces désagréments de la vie quotidienne? Vous êtes sur le point de partir pour la journée et réalisez que vous avez oublié de charger votre téléphone. Ou bien, vous êtes sur la route et vous vous rendez compte que votre véhicule électrique a besoin d’être rechargé. Avec l’intégration des batteries solides dans les véhicules électriques, les appareils électroniques et les systèmes de stockage d’énergie, ce genre de problèmes appartiendra bientôt au passé. Les batteries solides peuvent être chargées plus vite et durer plus longtemps, tout en étant plus sûres. La simulation peut aider les concepteurs de batteries à étudier leur fonctionnement pour mieux prédire leurs performances pour des utilisations futures.
La batterie solide : une avancée très attendue
Les batteries à l’état solide, ou Solid-state batteries (SSB) en anglais, utilisent un électrolyte solide pour conduire les ions entre les deux électrodes, tandis que les batteries conventionnelles utilisent un électrolyte liquide ou un gel polymère. Cette différence confère aux SSB de nombreux avantages par rapport aux batteries lithium-ion, tels qu’un cycle de vie plus long. Les batteries des véhicules électriques actuels ont généralement une durée de vie de 5 à 8 ans, tandis que les véhicules électriques équipés de SSB pourraient atteindre 15 à 20 ans. De plus, alors qu’une batterie Li-ion ordinaire se dégrade en moyenne après 1 000 cycles, une SSB peut conserver 90 % de sa capacité d’origine après 5 000 cycles (réf. 1).
L’intégration de batteries solides dans les véhicules électriques permet de réduire le temps de charge. Photo par Haberdoedas sur Unsplash.
Les SSB peuvent également effectuer un cycle de charge beaucoup plus rapidement que les autres types de batteries. Alors qu’une batterie Li-ion classique met environ 45 minutes pour atteindre 80 % de sa charge, une SSB peut atteindre le même niveau de charge en 12 minutes, voire en seulement 3 minutes. Les SSB sont également plus sûres pour les consommateurs. Sans électrolyte liquide, elles sont beaucoup moins inflammables et volatiles que les autres options. De plus, en évitant les électrolytes liquides et les anodes en carbone, elles offrent une plus grande densité de stockage d’énergie (réf. 1).
Un défi de conception vieux de plusieurs décennies
L’électrolyte solide a été découvert pour la première fois par le physicien Michael Faraday au début des années 1830, et ses mécanismes et utilisations potentielles font depuis lors l’objet de recherches. En 2020, de nombreux constructeurs automobiles, entreprises électroniques et instituts de recherche investissent de manière importante dans la R&D sur les SSB. Cependant, la recherche et la conception de batteries sont des processus coûteux et nécessitant beaucoup de ressources. La simulation peut aider les développeurs de batteries à étudier les défis de conception des SSB dans différentes conditions opératoires et pour différents cas d’utilisation.
Les batteries lithium-ion sont soumises à un phénomène appelé « lithiation », dans lequel les électrodes situées à l’intérieur des composants solides de la batterie se dilatent et se contractent, occasionnant des contraintes mécaniques. De plus, le mouvement des ions dans la batterie pendant les cycles de charge et de décharge provoque des contraintes et des changements de volume. Ces phénomènes peuvent entraîner une réduction de la durée de vie et de la capacité de stockage d’énergie de la batterie, voire même une dégradation mécanique.
La modélisation multiphysique peut être utilisée pour analyser la conception d’une batterie solide. Dans le tutoriel Heterogeneous Model of a Solid-State Battery Unit Cell tutorial model, nous vous guidons à travers les étapes de modélisation dans le logiciel COMSOL Multiphysics®.
Modéliser une batterie solide dans COMSOL Multiphysics®
Le tutoriel « Heterogeneous Model of a Solid-State Battery Unit Cell » simule le cycle de charge–décharge dans une SSB, en particulier la manière dont le transport de charge et de masse interagit avec la mécanique des solides. La géométrie du modèle est composée d’une électrode positive composite, d’une électrode négative en lithium métal et d’un séparateur électrolytique solide situé entre les deux électrodes.
La géométrie du modèle de batterie solide.
Des interfaces et des fonctionnalités physiques spécialisées facilitent la mise en place du modèle. La conservation de la charge, de la masse et de la quantité de mouvement peuvent être modélisées avec les interfaces Batterie lithium-ion, Transport en milieu solide, et Mécanique du solide, respectivement. Il existe également des fonctionnalités spécifiques pour modéliser:
- le dépôt de lithium sur l’électrode négative,
- le gonflement et la contraction de l’électrode positive,
- la réaction rédox à l’interface électrode–électrolyte solide.
Le modèle SSB et les réglages physiques dans COMSOL Multiphysics®.
La simulation du modèle hétérogène de SSB évalue certaines quantités à la fin de la charge, notamment les potentiels électriques et ioniques, ainsi que la contrainte de von Mises dans l’électrolyte solide.
Potentiel électrique (à gauche), concentration dans l’électrode positive (au centre) et contraintes dans l’électrolyte solide (à droite).
Les résultats comprennent également l’évaluation des quantités globales, notamment la tension des cellules, l’état de charge et la contrainte selon la direction z de la batterie.
Ouvrir la voie aux batteries solides
L’étude des mécanismes propres aux batteries solides au moyen de simulations peut aider les chercheurs, les constructeurs automobiles et les entreprises électroniques à intégrer les SSB dans des composants et des appareils dans les années à venir, plutôt que dans plusieurs décennies.
Testez par vous-même le tutoriel « Heterogeneous Model of a Solid-State Battery Unit Cell » en cliquant sur le bouton ci-dessous. Nous vous recommandons de disposer des produits complémentaires suivants pour COMSOL Multiphysics® : Module Battery Design, Module CAD Import, Module Structural Mechanics et Module Nonlinear Structural Materials.
Pour aller plus loin
- Modéliser les non-idéalités en spectroscopie d’impédance électrochimique
- Simuler la propagation thermique dans un pack de batteries
- Comment définir les cycles de charge dans les modèles de batteries
Référence
- Shang et al., “A comprehensive review of solid-state lithium batteries: Fast Charging characteristics and in-operando diagnostics,” Nano Energy, vol. 142, part B, 2025. Doi: 10.1016/j.nanoen.2025.111232
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