Des batteries à l’état solide pour les voitures électriques de demain

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Stephan Bücheler utilise des méthodes à couche mince pour produire des systèmes

Stephan Bücheler utilise des méthodes à couche mince pour produire des systèmes modèles pour la prochaine génération de batteries. Photo : Empa

Dans le cadre d’un programme stratégique de coopération internationale de la Fraunhofer-Gesellschaft, l’Empa à Dübendorf (CH) et l’Institut Fraunhofer de recherche sur les silicates ISC à Würzburg (D) ont lancé début janvier un projet de recherche commun de trois ans pour élaborer les bases pour une nouvelle génération de batteries pour voitures électriques. Contrairement aux piles au lithium-ion actuellement utilisées, celles-ci ne seront composées que de solides et ne contiendront plus d’électrolytes liquides inflammables. Le Fraunhofer ISC apporte son savoir-faire dans le développement de procédés et la production de cellules de batteries et réalise les premiers prototypes.

La production mondiale d’éléments de batterie au lithium-ion à la pointe de la technologie est aujourd’hui en grande partie entre les mains d’entreprises asiatiques. Si l’industrie automobile européenne, avec ses 3,4 millions d’employés, passait des moteurs à combustion aux systèmes électriques, elle dépendrait des batteries de traction des constructeurs asiatiques si elle ne parvenait pas à introduire cette technologie essentielle en Europe.

Le saut technologique à venir vers les batteries à l’état solide offre une énorme opportunité à cet égard. Les cellules de batterie de ce type n’ont pas besoin d’électrolytes liquides inflammables et offrent donc une sécurité de fonctionnement nettement améliorée, mais aussi des avantages en termes de taille et de poids, car un encapsulage de sécurité moins complexe est nécessaire. De plus, l’utilisation d’un matériau d’anode métallique (lithium) (au lieu des anodes en graphite couramment utilisées aujourd’hui) dans les batteries à l’état solide promet une densité énergétique plus élevée et des temps de charge nettement plus courts.

Bien que les composants individuels (anode, cathode, électrolyte) des futures batteries à semi-conducteurs aient déjà fait l’objet d’études approfondies en laboratoire, le plus grand défi est de les combiner en un système global stable. Il est important d’obtenir une longue durée de vie avec des performances élevées sur autant de cycles de charge et de décharge que possible, et donc de dépasser les performances des systèmes de batteries couramment utilisés aujourd’hui. La coopération entre l’Empa et l’ISC Fraunhofer vise à éliminer les principaux obstacles technologiques à la production industrielle de piles à semi-conducteurs.

Le projet IE4B ("Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries") a démarré le 1er janvier 2019 et s’étendra sur trois ans dans le cadre de la ligne de financement Fraunhofer ICON ("International Cooperation and Networking"). Avec ICON, la Fraunhofer-Gesellschaft entend développer la coopération stratégique de ses instituts avec des centres d’excellence internationaux sélectionnés dans différents domaines. Des projets avec l’Université de Cambridge et l’Université Johns Hopkins ont par exemple été lancés à ce jour.

Du côté de l’Empa, le projet IE4B, qui vient de démarrer, se concentre sur le développement d’électrolytes solides, la production et la caractérisation de couches minces aux propriétés électroniques personnalisées et le développement de matériaux anodiques nanostructurés. Le Fraunhofer ISC avec son "Fraunhofer Research and Development Center Electromobility Bavaria" travaille sur les polymères conducteurs du lithium ainsi que sur le développement de couches protectrices de matériaux sol-gel aux propriétés spécifiques pour batteries. En outre, elle développe, fabrique et teste des prototypes et des petites séries de cellules de batterie.

Des entreprises industrielles d’Allemagne et de Suisse ont également participé dès le début au projet IE4B dans le cadre d’un groupe pilote qui accompagne le projet d’un point de vue industriel : entre autres de l’industrie chimique comme Heraeus (D), de la construction mécanique comme le groupe Bühler (CH) ou Applied Materials (US/D), des fabricants de cellules comme Varta (D) ou des entreprises technologiques comme ABB (CH).

L’objectif du projet est de développer une batterie à semi-conducteurs qui permet un cycle de charge et de décharge stable à température ambiante et qui peut également être chargée rapidement. Le projet est divisé en deux phases : La première phase traite des aspects fondamentaux et utilise des systèmes de modèles de batteries fabriqués par l’Empa et l’ISC selon la méthode des couches minces. Dans cette première phase, les processus qui se déroulent aux interfaces entre la cathode, l’électrolyte solide et l’anode doivent être précisément compris et mieux contrôlés.

Dans une deuxième phase, ces connaissances seront utilisées pour fabriquer une cellule à l’état solide fonctionnelle avec l’expertise en génie des procédés de l’ISC Fraunhofer et pour la produire en petite série. "Notre objectif commun n’est pas seulement de mieux comprendre les interfaces, mais aussi de pouvoir transférer ces connaissances dans un processus de fabrication. Le savoir-faire de Fraunhofer et de l’Empa se complètent parfaitement", explique Henning Lorrmann, directeur du Centre de recherche et de développement Fraunhofer pour l’électromobilité en Bavière (FZEB) de l’ISC Fraunhofer.

L’approche en deux étapes offre des avantages décisifs : En tant que système modèle de la phase 1, la structure des cellules en couche mince est plus facile à analyser. Ceci permet d’identifier les meilleures combinaisons d’électrodes et d’électrolytes. La structure tridimensionnelle plus complexe des cellules de batterie plus grandes en phase 2 est rendue beaucoup plus facile par les matériaux qui ont été adaptés au préalable.

Pierangelo Gröning, membre de la direction de l’Empa, est l’un des coordinateurs du projet. Il souligne l’importance stratégique : " La structure de la batterie lithium-ion à l’état solide est très complexe et représente un défi majeur pour la science des matériaux. Grâce à cette coopération, nous combinons une expertise exceptionnelle en science des matériaux et en génie des procédés - et c’est précisément ce qui est nécessaire pour faire progresser avec succès le développement de la batterie à semi-conducteurs."