La batterie du futur, plus performante et plus sûre, en construction

Le stockage énergétique dans une batterie lithium-ion classique est limité par plusieurs facteurs. Le point faible des batteries lithium-ion réside dans notamment dans l’utilisation d’électrolyte liquide hautement réactifs et potentiellement dangereux, particulièrementt dans le cadre de grandes batteries destinées, par exemple, au stockage de l’électricité issue des énergies renouvelables ou pour les véhicules électriques.

Le projet SIEL (Single-Ion Electrolyte), porté par Renaud Bouchet, Professeur des Universités à l’Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG) et son équipe de recherche  vise à développer une batterie moins chère, plus sûre, disposant d’une meilleure durée de vie et d’une meilleure densité énergétique, et avec un moindre impact environnemental. « Notre approche est de proposer un électrolyte polymère solide qui permet de remplacer les électrolytes liquides classiques et permettant ainsi d’améliorer la sécurité. De plus, nous visons une amélioration de la densité d’énergie et une baisse des coûts », explique Renaud Bouchet.

Pour rendre son électrolyte solide, l’équipe grenobloise a notamment développé une nouvelle famille de copolymères à blocs, c’est-à-dire comprenant deux types de polymères réunis dans la même macromolécule par une liaison covalente. « L’idée a donc été de réaliser le design d’un copolymère à blocs multi-fonctionnel grâce à sa structure moléculaire particulière : de façon simplifiée, un bloc ou polymère apporte la conductivité ionique tandis qu’un autre bloc apporte la tenue mécanique. Ces deux polymères ou blocs sont reliés entre eux par une liaison covalente, ce qui évite une macro-séparation de phase (type eau/huile) mais impose une nano-séparation de phase, donnant un matériau dont les propriétés sont une synergie des caractéristiques de chacun des blocs », résume Renaud Bouchet.

Une batterie plus efficace et moins chère

« L’amélioration de la densité énergétique vient à la fois des matériaux d’électrode – tension et quantité de charge que l’on peut stocker par gramme de matériaux – et des gain de masse que l’on peut faire sur l’ensemble des élément de la batterie : électrolyte, emballage, système de sécurité », explique Renaud Bouchet. En utilisant une électrode négative en lithium métallique plutôt qu’en graphite, un électrolyte polymère en couche mince (20-30 micron contre 100micron pour du Li-ion) et aussi grâce à un emballage allégé (technologie « tout solide » donc qui ne nécessite pas de mise en pression et d’emballage), « on peut espérer un gain de 20 à 50% d’énergie », prévoit l’expert. ‘Cependant, aujourd’hui la technologie ne fonctionne qu’au delà de 60°C ce qui consomme un partie de l’énergie de la batterie pour la maintenir en température », prévient-il.

Les coûts seront moindres grâce aux gains dans les matériaux, notamment pour l’électrolyte et l’emballage. « On en utilise moins donc c’est moins cher », résume le chercheur. Les procédés de fabrication sont aussi moins chers, car ils ne nécessitent pas la manipulation d’électrolytes liquides toxiques, volatiles et inflammables, et donc délicats à manipuler. Ces copolymères présentent l’immense avantage de pouvoir être produits selon des procédés de synthèse en phase aqueuse, sans solvants organiques, et conservés à l’air libre. Ils sont mis en forme selon les procédés classiques de plasturgie : extrusion, lamination… Résultat : les systèmes de sécurité sont plus simples, ce qui diminue encore les coûts. Comme il s’agit de polymères, il est possible de leur faire prendre la forme de feuilles souples, très fines, faciles à intégrer à une batterie.

Quels sont les prototypes existant?

Il reste encore des verrous scientifiques et technologiques, mais ce sont des défis que le projet SIEL compte bien relever en réalisant des prototypes industriels. »Nous avons réalisé des prototypes de batterie à l’échelle laboratoire pour montrer la faisabilité et l’intérêt de nos matériaux », commente Renaud Bouchet. « Des petits prototypes industriels de l’ordre de 1Ah [batterie de portable] sont prévus et devront être réalisés d’ici le deuxième semestre 2015 », prévient-il. Les tests de ces prototypes dureront au minimum un an, jusqu’au deuxième semestre 2016.

Pour assurer un développement industriel, plusieurs aspects vont être évalués courant 2015. « Le premier obstacle est le scale-up industriel de la fabrication des polymères (du kg à la tonne). Il faut  trouver un procédé qui soit compatible avec une production de polymère à l’échelle industrielle. Ensuite il y a l’étude des coûts pour définir le prix du matériaux. Le deuxième obstacle est la mise en forme des polymères pour réaliser les composants de la batterie, compatible avec les procédés industriels », conclut Renaud Bouchet.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique