Cette nouvelle batterie solide qui pulvérise les records de densité énergétique

L’innovation dans le domaine du stockage d’énergie franchit un nouveau cap avec les batteries à électrolyte solide. Un consortium européen vient de réaliser un progrès significatif, élargissant les possibilités pour l’électromobilité.

Le développement d’une batterie lithium-métal à électrolyte solide haute performance a été annoncé par le consortium H2020 SOLiDIFY, coordonné par imec et regroupant 13 partenaires européens. Le prototype de cellule, fabriqué par imec dans le laboratoire d’assemblage de batteries à la pointe de la technologie d’EnergyVille en Belgique, présente des caractéristiques remarquables.

Un électrolyte solide unique distingue la batterie, élaboré conjointement par imec et ses partenaires, utilisant un procédé innovant de « liquide à solide ». La densité énergétique atteinte s’élève à 1070 Wh/L, surpassant largement les 800 Wh/L des batteries lithium-ion les plus performantes actuellement sur le marché.

Processus de fabrication innovant

L’innovation se caractérise particulièrement par son processus de fabrication. Celui-ci s’avère à la fois économique et adaptable aux lignes de production existantes de batteries lithium-ion. Une telle caractéristique laisse entrevoir la possibilité d’une commercialisation viable des batteries lithium solides pour l’électromobilité.

Une dynamique globale de réduction des émissions de carbone et de lutte contre le changement climatique favorise l’adoption croissante des véhicules électriques (VE). Cependant, les exigences en termes d’autonomie accrue et de temps de charge réduits soulignent le besoin persistant de batteries haute performance.

L’aspect économique ne peut être négligé parallèlement. Les batteries représentent actuellement près de la moitié du prix d’un VE. Par conséquent, les matériaux utilisés dans la conception des batteries jouent un rôle déterminant, tant pour leurs performances que pour leur accessibilité financière.

Technologie des batteries à électrolyte solide

L’utilisation d’un matériau électrolyte solide caractérise les batteries à électrolyte solide, à travers lequel les ions circulent pour charger et décharger la batterie. Cette approche diffère des batteries lithium-ion conventionnelles qui emploient un électrolyte liquide.

De multiples bénéfices potentiels sont offerts par cette technologie. On peut citer notamment une densité énergétique supérieure et une moindre sensibilité aux incendies. Au niveau des matériaux, l’introduction d’une fine anode en lithium métallique associée à un composant électrolyte solide suffisamment mince permet d’obtenir la densité énergétique accrue de la cellule.

Le projet SOLiDIFY

Le défi majeur résidait jusqu’à présent dans l’élaboration d’une architecture économiquement viable pour une production à grande échelle. Une réponse concrète à cet enjeu est apportée par le projet SOLiDIFY.

Des spécifications techniques impressionnantes sont présentées par le prototype développé par le consortium SOLiDIFY. Une densité énergétique exceptionnelle de 1070 Wh/L a été atteinte par la cellule en sachet, fabriquée dans le laboratoire de pointe d’EnergyVille à Genk en Belgique. À titre de comparaison, les technologies lithium-ion actuelles plafonnent à 800 Wh/L.

Le processus de fabrication constitue un aspect particulièrement prometteur. Celui-ci s’effectue à température ambiante, s’adapte aux lignes de production existantes de batteries lithium-ion et devrait coûter moins de 150 euros par kWh. Ces caractéristiques laissent entrevoir un potentiel de transfert industriel abordable.

Composition et structure de la batterie

Un matériau nanocomposite à base de liquide ionique polymérisé (PIL) dopé est utilisé pour l’électrolyte solide du prototype. Cette composition permet une approche unique de solidification « liquide à solide ». La combinaison d’une cathode composite à haute capacité, séparée d’une fine anode en lithium métallique par un séparateur électrolyte solide mince (50 μm), a permis d’obtenir la haute densité énergétique, aboutissant à un empilement compact de cellules de batterie.

Les défis liés à la résistance mécanique et à l’imprégnation de la cathode ont également été surmontés par le consortium. Ces améliorations ont permis d’augmenter le taux de charge de la cellule à 3 heures et sa durée de vie à 100 cycles. Une inflammabilité réduite est présentée par la cellule solide thermiquement stable par rapport aux électrolytes liquides, améliorant ainsi la sécurité.

L’utilisation de cathodes NMC pauvres en cobalt a été rendue possible par l’application de revêtements protecteurs nanométriques. Cette innovation réduit l’impact environnemental tout en offrant une capacité supérieure.

Perspectives futures

Une montée en échelle supplémentaire de cette technologie de batterie haute performance est prévue dans les prochaines étapes du projet. Imec vise à augmenter continuellement la densité énergétique et la puissance des technologies de stockage d’énergie. Des recherches sont également menées sur les matériaux de cathode de nouvelle génération et les anodes en lithium métallique utilisant l’électrodéposition.

Selon Philippe Vereecken, directeur scientifique des technologies de stockage d’énergie chez imec : « Le consortium SOLiDIFY a démontré qu’une batterie lithium-métal à électrolyte solide haute performance peut être fabriquée à l’aide d’un procédé évolutif et économique. Nous pensons que cette technologie a le potentiel de transformer profondément le marché des batteries pour l’électromobilité. »

Le consortium SOLiDIFY rassemble 14 partenaires, dont des centres de recherche tels qu’imec/EnergyVille (Belgique), Fraunhofer (Allemagne), Centro Richerche Fiat SCPA (Italie), et Empa (Suisse), l’Université de Hasselt/EnergyVille (Belgique) et l’Université de technologie de Delft (Pays-Bas). Des partenaires industriels comme VDL Groep (Pays-Bas), Umicore (Belgique), Solith (Italie), SOLVIONIC (France), Sidrabe (Lettonie), Leclanché (Suisse), Gemmate Technologies (Italie) et Powall (Pays-Bas) participent également au projet.

Légende illustration : Le prototype de la cellule a atteint une densité énergétique élevée de 1070 Wh/L, comparée aux 800 Wh/L des technologies lithium-ion actuelles. Image : Imec