Des voitures électriques aux implants médicaux, les batteries lithium-ion sont aujourd’hui un maillon clé de l’approvisionnement énergétique. Mais ce type de batterie présente également des inconvénients. C’est pourquoi le Battery Innovation Hub du CSEM développe et teste des matériaux et des procédés de fabrication visant à rendre les batteries plus sûres et plus performantes.
Image: CSEM
Les batteries lithium-ion en usage actuellement ont le plus souvent recours au graphite pour le matériau de l’anode, c’est-à-dire l’électrode négative, ainsi qu’à un liquide électrolytique. Lorsqu’une batterie alimente un appareil, l’électrolyte permet d’en faire circuler la charge électrique entre l’anode et la cathode, c’est-à-dire l’électrode positive, sous forme d’ions de lithium. Toutefois, même en continuant à optimiser les batteries de ce type, il est vraisemblable que leur capacité de stockage d’énergie se heurtera aux limites physiques théoriques dans les années à venir. De plus, les batteries lithium-ion dotées d’un liquide électrolytique présentent le risque de fuites ou d’inflammation à la suite d’une surchauffe.
Une nouvelle génération de batteries dites solides laisse envisager des réponses à cette situation. Le Battery Innovation Hub du CSEM développe des batteries dotées d’anodes haute performance en lithium-métal et d’un électrolyte solide en matériau polymère. Ces batteries peuvent stocker deux fois plus d’énergie que les modèles disposant d’anodes en graphite tout en offrant une sécurité élevée.
L’accroissement de la performance pour les batteries équipées d’anodes en lithium-métal fait face à un problème : il s’agit d’un métal très réactif qui, avec les procédés de fabrication conventionnels, forme une couche superficielle irrégulière sur laquelle continue à se déposer de la matière au fil des utilisations, ce qui impacte négativement la capacité de stockage et la durée de vie de la batterie. Avec le procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD), le CSEM a recours à une technologie fréquemment utilisée dans l’industrie horlogère pour la finition de pièces métalliques. C’est d’ailleurs dans ce secteur industriel que le centre de recherche et de développement trouve ses origines. Le PVD permet d’appliquer sous vide du lithium-métal en de minces couches d’une grande régularité et d’une grande pureté sur les anodes haute performance afin de former un film protecteur qui empêche le dépôt de métal. « Les couches minces sont une technologie cruciale pour la prochaine génération de batteries », déclare, affirmatif, Andrea Ingenito, codirecteur du Battery Innovation Hub.
La deuxième étape cruciale consiste à installer ces anodes d’un type nouveau dans une batterie solide. En plus d’une sécurité accrue déjà évoquée, ces batteries laissent entrevoir une fabrication moins coûteuse et moins énergivore. Le CSEM mise sur la polymérisation in situ, qui consiste à introduire un matériau de départ liquide entre les électrodes de la batterie, lequel est ensuite polymérisé pour être transformé en électrolyte solide. En créant des surfaces de contact entre les éléments de la batterie, ce procédé y facilite la bonne circulation de la charge, ce qui a un effet positif sur ses performances et sur sa durée de vie. En outre, le CSEM exploite son savoir-faire dans le développement de matériaux afin d’améliorer les propriétés des électrolytes polymères et permettre que les batteries solides restent performantes, même à température ambiante. D’autres systèmes de batteries solides nécessitent des températures élevées ou certaines pressions de service pour fonctionner, ce qui en freine la commercialisation.
Les batteries solides lithium-métal de nouvelle génération profiteraient avant tout au marché des véhicules électriques. Elles contribueraient à améliorer ces véhicules de telle sorte que, sur le plan de l’autonomie, des coûts, du temps de charge et de la durée de vie, ceux-ci seraient au moins équivalents aux véhicules dotés d’un moteur à combustion, voire plus performants. À l’avenir, réaliser des batteries plus sûres qui soient également de plus petite taille et plus légères se révélerait avantageux pour des applications de niche telles que les implants médicaux.
Pour conclure, Andrea Ingenito souligne qu’il faudra encore quelques années avant que les batteries solides de série soient commercialisées. Il entrevoit néanmoins un avenir riche et prometteur pour ce secteur en pleine évolution que les décisionnaires auront tout intérêt à suivre de près : « Ces nouveaux matériaux et leurs procédés de fabrication ont le potentiel pour réinventer l’industrie européenne des batteries. »
