Les électrolytes à l’état solide promettent des micro-batteries aux capacités impressionnantes
Nous pourrions bientôt utiliser des batteries rechargeables moins inflammables, plus durables et plus puissantes après une avancée décisive réalisée par le projet européen SUPER-Lion. Avec le soutien d’un programme Marie Curie, le Dr Knut Bjarne Gandrud a mis au point un électrolyte à l’état solide ultra-mince pour les batteries rechargeables. Les électrolytes constituent le milieu chimique qui sépare la cathode de l’anode dans une batterie et dans lequel circule la charge électrique qui va de l’une à l’autre. Les batteries au lithium-ion (LIB) fonctionnent actuellement avec des électrolytes liquides. Mais la nouvelle méthode de fabrication d’électrolytes à l’état solide de SUPER-Lion pourrait ouvrir la voie à leur utilisation dans des batteries minces, destinées aux appareils développés pour le marché émergent de l’Internet des objets. L’électrolyte en question est ultra mince, d’une épaisseur de 40 nanomètres, ce qui le rend idéal pour les microdispositifs. Les travaux du Dr Gandrud ont été supervisés par le professeur Philippe Vereecken, directeur scientifique du pôle IMEC dédié à la nanoélectronique et aux technologies numériques et professeur à la KU-Leuven, en Belgique. Il a également été assisté de deux étudiants en master. «Notre batterie pourrait fonctionner à 120 degrés Celsius, un exploit dont les batteries actuelles avec électrolyte liquide sont incapables», explique le Dr Gandrud. «Les électrolytes liquides utilisés aujourd’hui sont inflammables et la durée de vie de la batterie est limitée en partie à cause de réactions secondaires entre les électrodes et l’électrolyte.» Les LIB à électrolyte liquide sont utilisées dans la plupart des appareils tels que les téléphones et les ordinateurs portables, mais aussi dans les voitures électriques. La plupart des piles au lithium à l’état solide sont généralement utilisées dans des applications plus petites qui nécessitent peu d’énergie ou pour lesquelles la sécurité est essentielle, comme les implants médicaux. Petite mais puissante Cela s’explique par le fait que de nombreuses batteries au lithium à l’état solide disponibles sur le marché ont une capacité limitée ou ne fonctionnent qu’à des températures plus élevées. La méthode de fabrication de SUPER-Lion va changer la donne. Un électrolyte nanocomposite (NCE) qui peut être aisément intégré dans de petites batteries a été mis au point, ce qui permet d’augmenter facilement l’énergie de la cellule de la batterie. Le procédé de fabrication est également facile à reproduire dans le cadre d’une production de masse pour un prix convenable. L’équipe l’a testé avec des cellules de batterie utilisant du lithium métal comme anode, soit le matériau constituant le défi le plus complexe car la plupart des autres matériaux ne sont pas chimiquement stables en sa présence. L’utilisation du lithium présente de réels avantages dans la mesure où il permet d’augmenter la densité énergétique des cellules de batterie rechargeable au-delà de 1 000 Wh/L. Les résultats ont montré que l’équipe n’avait pas encore atteint tous ses objectifs mais qu’elle était sur la bonne voie pour y parvenir. Par exemple, la batterie n’affichait que 75 % de la capacité réversible – quand la charge de la batterie est restaurée une fois la batterie déchargée – de l’électrolyte liquide LIB. Il est toutefois important de noter que la cellule se montrait plus efficace que lorsqu’elle contenait un électrolyte liquide et qu’elle avait une durée de vie plus longue. «Le nouvel électrolyte à l’état solide n’a provoqué aucune réaction secondaire indésirable avec les électrodes», explique le Dr Gandrud. Il est possible que la commercialisation du produit prenne un certain temps. Les développeurs sont susceptibles de créer davantage de petits appareils électroniques une fois que les micro-batteries nécessaires pour les alimenter seront disponibles. Si davantage d’appareils nécessitaient des micro-batteries puissantes, il y aurait plus d’investissements privés dans leur fabrication. «C’est le paradoxe de l’œuf et de la poule», explique le professeur Vereecken. Le potentiel du marché des électrolytes à l’état solide en fait un sujet d’actualité pour les chercheurs. «Disposer d’un financement de l’UE était essentiel pour nous», déclare le Dr Gandrud. «Étant donné la forte concurrence, il est difficile d’obtenir des fonds.»
Mots‑clés
SUPER-Lion, batteries rechargeables, batteries lithium-ion, électrolyte à l’état solide, électrolyte liquide, électrodes, batteries ultra-minces, Internet des objets
