La batterie à l'état solide devrait permettre à la voiture électrique d'atteindre de nouveaux sommets : Des temps de charge plus courts, une plus grande autonomie, une sécurité incendie totale et des coûts réduits, voilà ce que les constructeurs automobiles promettent à eux-mêmes et à leurs clients grâce à cette nouvelle technologie de batterie. Mais de nombreuses questions restent en suspens concernant la superbatterie : Viendra-t-elle vraiment ? Et si oui, quand ?

Le consortium d'entreprises Renault-Nissan a annoncé en avril 2022 une production pilote de batteries à l'état solide à partir de 2024 ; leur première voiture équipée de cette technologie de batterie devrait être commercialisée à partir de 2028. Le groupe VW investit dans la start-up américaine Quantumscape spécialisée dans les batteries à l'état solide. Toyota, Ford, BMW et Mercedes-Benz se sont également lancés dans la course et investissent dans des start-up spécialisées dans les batteries solides. C'est donc un domaine très compétitif et plein de grands noms dans lequel évolue la recherche sur les batteries de l'Empa. A Dübendorf, plusieurs équipes du département de recherche "Materials for Energy Conversion" font des recherches sur cette technologie de batterie de la prochaine génération.

Le potentiel est immense, explique Corsin Battaglia, qui dirige le département. Selon lui, la technologie des batteries lithium-ion à base de liquide sera bientôt largement exploitée. La technologie actuelle permet d'atteindre une capacité de stockage maximale d'environ 750 wattheures (Wh) par litre de volume de batterie. Cela est dû à l'anode volumineuse qui se trouve dans chaque cellule de la batterie : elle est composée de graphite dans lequel sont stockés des ions de lithium.

Les batteries à l'état solide, en revanche, devraient atteindre une capacité de stockage de plus de 1200 wattheures par litre. Et la cellule peut être construite de manière encore plus compacte, car le lithium métal peut être utilisé comme anode à la place du graphite. De plus, ces batteries résistent à des températures dépassant largement les 100 degrés Celsius. Le système de gestion de la batterie, qui surveille la température des cellules, peut donc être simplifié et le refroidissement, par exemple lors d'une charge rapide, est également moins coûteux. Les piles à l'état solide sont donc plus petites, plus puissantes et plus rapidement rechargeables.

Mais le passage à la technologie des batteries de la prochaine génération n'est pas une promenade de santé, même pour les groupes mondiaux disposant d'un budget de plusieurs milliards. Arndt Remhof, chercheur à l'Empa dans le département de Battaglia, sait quels sont les obstacles de la technologie des batteries solides : "Le matériau que nous recherchons doit remplir différentes caractéristiques en même temps", explique Remhof. "Tout d'abord, il doit être un très bon conducteur d'ions, mais en même temps un très bon isolant électronique". Une bonne conductivité ionique est nécessaire pour assurer la performance de la batterie. Une conductivité électronique profonde est importante pour que la cellule ne se décharge pas d'elle-même.

Et Remhof d'énumérer aussitôt d'autres exigences : "Pour dépasser la densité énergétique de la technologie Li-ion existante, l'électrolyte doit être stable vis-à-vis du lithium métal". Il doit donc être stable à la réduction chimique. Parallèlement, l'électrolyte doit être stable contre l'oxydation lors du contact avec la cathode. Ce n'est qu'à cette condition qu'il est possible d'utiliser des cathodes à haut potentiel électrique et d'obtenir les tensions de cellule élevées souhaitées.

En outre, l'électrolyte solide doit également être stable contre les processus de vieillissement - surtout, il ne doit pas se former de fissures ou de pores à la surface de contact entre l'anode de lithium et l'électrolyte. Le problème : à chaque processus de charge et de décharge, le volume de l'anode change. L'intérieur d'une batterie à l'état solide est donc en mouvement pendant toute sa durée de vie. L'électrolyte doit résister à tous ces changements.

Enfin, lors de la charge et de la décharge de la batterie, le lithium métallique a tendance à former des dendrites, de fins filaments de lithium qui poussent de l'anode de lithium à la cathode et peuvent ainsi provoquer un court-circuit. C'est aussi la raison pour laquelle l'utilisation d'anodes lithium-métal n'est pas possible dans les batteries Li-ion traditionnelles remplies de liquide. Bien entendu, l'électrolyte solide recherché doit également empêcher la formation de ces dendrites.

Les équipes de chercheurs de l'Empa tentent de résoudre ces problèmes par deux approches différentes. Une équipe travaille sur les électrolytes solides polymères. Dans ce domaine, les chercheurs ont réalisé une percée remarquable au début de l'année 2022 : En collaboration avec un partenaire industriel, ils ont développé un électrolyte polymère, basé sur des sels polymérisés, avec une conductivité ionique élevée à température ambiante, qui est stable au contact du lithium métallique et des matériaux cathodiques à haut potentiel et qui peut supporter des températures allant jusqu'à 300 degrés Celsius. De plus, cet électrolyte est très léger, environ 1,3 fois plus lourd qu'un électrolyte liquide. Des essais avec des cellules de batterie de laboratoire de la taille d'une pièce de deux francs ont déjà été couronnés de succès. Des cellules plus grandes doivent maintenant être développées dans le cadre d'un projet financé par l'UE.

Dans la deuxième approche, les chercheurs de l'Empa développent des électrolytes solides à partir d'hydroborates. "Nous avons déjà déposé en 2019 une demande de brevet pour une invention qui nous permet de cristalliser ces électrolytes à partir d'une solution", explique Remhof. Cela permet de fabriquer des batteries solides avec des procédés qui se prêtent également à la production de masse. Ces électrolytes présentent également une conductivité ionique élevée, une grande stabilité au contact du lithium métallique ainsi qu'une grande stabilité thermique et sont à peu près aussi lourds qu'un électrolyte liquide. En 2020, les chercheurs ont réussi à faire la démonstration d'une batterie à l'état solide de 4 volts. À titre de comparaison, les cellules lithium-ion actuelles remplies de liquide fonctionnent aussi à des tensions de 4 volts.

Après tant d'annonces de succès, une question s'impose : où est le problème ? Pourquoi personne ne produit-il cette pile dès aujourd'hui ? "D'une part, les résultats de nos recherches sont encore très récents; d'autre part, il n'existe pas encore de production à grande échelle et à un prix avantageux pour de tels hydroborates de haute pureté", répond Remhof, chercheur à l'Empa. Celle-ci est actuellement développée en collaboration avec un partenaire industriel, qui prévoit déjà une installation de production à grande échelle.

Image: Blackstone

Blackstone Resources AG, dont le siège social est à Zoug, prépare à Döbeln, dans le Land allemand de Saxe, une production de batteries solides de nouvelle génération. En décembre 2021, l'entreprise a lancé un processus d'impression 3D inédit - dans un premier temps, elle construit encore des batteries lithium-ion traditionnelles remplies de liquide. Mais le processus est adaptable aux batteries de la prochaine génération. Un projet Innosuisse, dirigé par la Haute école spécialisée bernoise (HESB) et auquel participe l'Empa, doit désormais rendre possible la production de masse de batteries solides de la prochaine génération. La deuxième start-up suisse dans le domaine des batteries solides, l'entreprise Swiss Clean Battery, qui a licencié une technologie de l'entreprise High Performance Battery, compte également sur l'expertise de l'Empa pour la mise en place de la production.