La batterie du futur devra être plus performante, moins chère à produire, et plus durable. C’est en tous cas la vision du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies) qui veut faire entendre sa voix à la veille du lancement d’un PEPR (Programmes et équipements prioritaires de recherche), un appel à programme destiné à développer un leadership français dans ce domaine.
La demande pour les batteries explose, alimentée par le marché de la mobilité, et plus particulièrement le développement accéléré des voitures électriques. Trois giga-usines pour l’automobile sont planifiées dans le Nord et un appel à projet pour des solutions innovantes a été lancé fin 2021 par le gouvernement dans le cadre du Plan France Relance, sans compter les aides européennes qui se multiplient.
L’expertise du CEA dans ce domaine pourrait donc être particulièrement structurante.
« En 2021, nous comptions 180 permanents, un budget de 33 millions d’euros et un portefeuille de 400 brevets prioritaires sur l’ensemble de la chaîne de valeurs », a rappelé Hélène Burlet, directrice adjointe à la Direction Scientifique des Energies du CEA, lors d’un point presse.
Le graal des batteries tout-solide
La batterie lithium-ion tout-solide apparaît comme une voie très prometteuse et une véritable rupture technologique d’ici quatre à cinq ans. Elle figure sur les feuilles de route de tous les constructeurs majeurs qui fournissent l’automobile : CATL, LG, Panasonic, ou encore Samsung.
Actuellement, l’électrolyte des batteries est liquide. L’électrolyte, c’est le matériau qui permet de faire transiter les ions lithium de l’électrode positive, l’anode, à l’électrode négative, la cathode, pour accumuler de la charge électrique. Le remplacer par un électrolyte solide aurait plusieurs intérêts, notamment celui de stocker davantage d’énergie.
« On prévoit une augmentation de la performance et une densité de 450 Wh/kg en 2030, soit un facteur deux par rapport à aujourd’hui », a indiqué Simon Perraud, directeur adjoint du CEA-Liten, qui est dédié à la transition énergétique.
L’autonomie serait donc multipliée par deux. L’autre bénéficie, ce serait la sécurité.
« Elle serait améliorée à l’échelle de la cellule de la batterie qui serait moins inflammable », ajoute le scientifique.
Toutefois, la batterie tout-solide pose de nouveaux défis.
« Les interfaces entre matériaux et architecture seront plus compliquées à gérer que dans un cadre tout liquide », pointe Hélène Burlet.
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Vers des batteries organiques ?
Avant de parvenir à une batterie tout-solide, il y aura probablement des étapes intermédiaires.
« On commencera peut-être par voir des batteries avec des technologies hybrides où l’électrolyte est gélifiée », avance encore Simon Perraud.
Une étape qui est déjà en phase d’industrialisation par le groupe Solvay, par exemple, dont le CEA est partenaire.
L’enjeu serait aussi de se limiter, voire de se passer des matériaux critiques utilisés actuellement. Leur extraction pèse en effet lourdement sur l’environnement, et leur approvisionnement est instable. Des batteries à sodium-ion sont déjà commercialisées, même si elles sont moins performantes que le lithium-ion.
Mais, une autre voie est aussi envisagée, qui repose sur des batteries lithium-soufre. Cette technologie en est au stade de la recherche et du développement, et pourrait aboutir à horizon 2030.
« On remplacerait les électrodes positives à base de nickel, cobalt et manganèse par des électrodes positives à base de soufre », explique Simon Perraud.
Cela aurait l’avantage d’augmenter la densité d’énergie massique avec des applications intéressantes dans l’aéronautique. On peut aussi rêver un jour de batteries organiques à base de ions potassium ou magnésium.
Quels que soient les matériaux utilisés, il n’y aura pas de solution miracle universelle : il faudra les sélectionner en fonction des besoins de chaque application.
Comment rendre les batteries intelligentes ?
Il n’y a pas que les matériaux à améliorer. Les chercheurs veulent rendre les batteries plus intelligentes. Là, encore plusieurs pistes sont envisagées comme introduire davantage de capteurs au coeur des batteries.
Ces derniers pourraient faire remonter de nouvelles informations jusqu’au BMS (Battery Management System), le système de gestion électronique qui permet de contrôler le fonctionnement de chaque cellule. Ce contrôle affiné nécessiterait également de développer des modèles prédictifs et de mettre en place de nouvelles interfaces de communication.
Le CEA planche enfin activement sur la gestion de la fin de vie des batteries. L’idée serait de les tester plus rapidement et de façon plus fiable en fin de vie pour leur offrir plus souvent une seconde vie ou encore améliorer leur conception pour qu’elles soient plus facilement démontables et recyclables.
Il y a urgence en la matière étant donné la vitesse à laquelle augmente le nombre de voitures électriques. D’après l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (Ademe), seules 65% des batteries de mobilité électrique étaient recyclées en France en 2018.
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