Batteries à état solide pour une mobilité électrique plus performante et sûre

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Contrairement à certaines études, la crainte persiste chez de nombreux usagers que les véhicules électriques ne s’enflamment plus facilement – et de façon irrémédiable. L’adoption d’électrolytes solides, plutôt que liquides, pourrait réduire considérablement ce risque, ainsi que d’autres réserves exprimées à l’égard des batteries actuelles.

 Pour le Fraunhofer IFAM (Institut de recherche sur les procédés de fabrication et les matériaux appliqués), les batteries à électrolyte solide constituent un maillon essentiel de la transition vers une mobilité entièrement électrique. En effet, grâce à leur électrolyte solide – non inflammable, contrairement aux électrolytes liquides classiques – , elles offrent non seulement une sécurité accrue, mais aussi une autonomie supérieure et des temps de charge nettement plus courts que les batteries lithium-ion conventionnelles. De nouveaux concepts de cellules, développés notamment par les instituts Fraunhofer IFAM et ISE (Institut de systèmes énergétiques solaires), promettent en outre des densités énergétiques plus élevées, permettant ainsi des batteries plus légères et plus compactes.

Les accumulateurs à électrolyte solide reposent eux aussi sur la technologie lithium-ion. Toutefois, au lieu d’utiliser des électrolytes organiques liquides, comme c’est généralement le cas, ils intègrent des électrolytes solides fondés sur des polymères ou des sulfures.

Le Fraunhofer ISE se concentre, selon ses propres déclarations, sur l’emploi de matériaux sulfureux dans ses travaux de recherche sur les batteries à électrolyte solide. Le Fraunhofer IFAM, quant à lui, développe des batteries à électrolyte solide polymère. Ces dernières reposent le plus souvent sur des systèmes thermoplastiques et présentent, selon l’institut, l’avantage de pouvoir tirer parti de procédés de fabrication éprouvés depuis longtemps, tels que l’extrusion, le moulage par injection ou le calandrage (passage du matériau entre plusieurs cylindres chauffés).

Les sulfures particulièrement adaptés

Le principal défi réside toutefois dans le fait que ces matériaux présentent une conductivité légèrement inférieure, ce qui réduit également leurs performances. En revanche, les batteries à électrolyte solide fondées sur des conducteurs ioniques à base de sulfures affichent une conductivité comparable à celle des batteries utilisant des électrolytes liquides, ce qui les rend parfaitement adaptées aux applications hautes performances. Par ailleurs, ces matériaux sont relativement mous, ce qui permet leur mise en œuvre via des procédés de dépôt classiques, basés sur des solutions. Selon l’Institut Fraunhofer IFAM, leur inconvénient majeur est toutefois leur instabilité face à l’humidité. L’Institut Fraunhofer ISE se concentre sur les matériaux sulfureux, car seule cette classe de matériaux permet d’atteindre, sans ajout d’électrolyte liquide, une forte conductivité ionique au lithium à température ambiante – et ce, combinée à une faible densité cristalline. Cette dernière caractéristique est cruciale pour atteindre des densités énergétiques élevées (supérieures à 400 Wh∙kg^-1 / > 1 000 Wh∙l^-1 ; Wh = watt-heure) avec des cathodes conventionnelles, comme celles à base de nickel-manganèse-cobalt (NMC). Les batteries lithium-ion classiques destinées aux véhicules électriques affichaient, au deuxième trimestre 2023, des densités énergétiques d’environ 280 Wh/kg. Une équipe de recherche chinoise du groupe CATL avait alors présenté, selon le site spécialisé Golem, un accumulateur lithium-ion affichant une densité énergétique de 711 Wh/kg et 1 654 Wh/l dès le premier cycle de charge. La clé de ce résultat résidait dans le remplacement d’une forte proportion de nickel par des quantités accrues de lithium et de manganèse.

Des densités énergétiques allant jusqu’à 500 Wh/kg sont envisageables

Le Fraunhofer IFAM évoque même des densités énergétiques pouvant atteindre 500 Wh par kilogramme, dès lors qu’on remplace l’électrolyte organique inflammable traditionnellement utilisé dans les batteries lithium-ion par des matériaux solides conducteurs d’ions. Cette substitution devrait également permettre d’allonger significativement la durée de vie des batteries, sans compter la réduction de l’encombrement dans les véhicules électriques.

À l’avenir, les applications visées ne se limiteront pas aux voitures particulières électriques : les taxis volants et les drones devraient aussi tirer profit de cette technologie. Dans le cadre du projet collaboratif ALANO, piloté par un équipementier automobile (OEM), le Fraunhofer IFAM participe activement au développement de nouveaux concepts d’anodes pour batteries à électrolyte solide.

Le Fraunhofer ISE fabrique, pour sa part, les cathodes et les séparateurs nécessaires à la conception à trois composants. Ces derniers, dans une future architecture à deux composants, pourraient être déposés directement sur l’électrode sous forme d’une couche ultramince. Grâce à un matériau cathodique innovant, l’équipe chinoise de CATL a déjà atteint en laboratoire des densités énergétiques de 1 100 Wh/kg, voire même de 1 288 Wh/kg.

Mercedes-Benz fait figure de pionnier parmi les constructeurs automobiles en misant déjà sur les batteries à électrolyte solide. Son partenaire américain Factorial Energy a présenté en septembre 2024 le projet Solstice, une batterie solide co-développée. Bien que sa commercialisation ne soit pas attendue avant la fin de la deuxième décennie, elle promet une densité énergétique de 450 Wh/kg, une autonomie accrue de jusqu’à 80 % et une réduction « substantielle » du poids des véhicules électriques.

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Source de l’image principale : Unsplash / Ernest Ojeh