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Des polymères durables pour des batteries imprimées en 3D

La course aux alternatives écologiques aux batteries lithium-ion est lancée. Selon la start-up POLYKEY, les polymères durables pourraient un jour surpasser les batteries actuelles – du moins pour quelques applications.

Technologies industrielles

La start-up POLYKEY a été créée en 2020 en tant que société détachée de l’université du Pays basque. En plus de se spécialiser dans le recyclage du plastique par la dépolymérisation, elle propose également une nouvelle génération de batteries à l’état solide construites à partir de polymères durables. La promesse est alléchante: les nouvelles batteries sont plus légères, plus efficaces à des températures élevées et ne sont pas inflammables. L’entreprise a initialement été lancée en 2012 avec le projet iPES, boursier de l’ERC Starting Grant (subvention de démarrage du CER), suivi il y a deux ans par le projet iPES-3DBat (Innovative Polymeric Batteries by 3D Printing), boursier de l’ERC Proof of Concept (PoC, validation de principe du CER). Soucieuse des limites des batteries actuelles en matière de taille, de rigidité et de coût, l’équipe du projet menée par David Mecerreyes a tout d’abord développé une série de nouveaux matériaux polymères. Ensuite, avec le projet iPES-3DBat, ils ont cherché à produire des batteries polymères à partir d’un processus rapide et bon marché d’impression en 3D. «Les batteries polymères à 100 % offrent plusieurs avantages par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles», avance David Mecerreyes, vice-directeur chez Polymat, Centre basque de conception et d’ingénierie macromoléculaire, université du Pays basque. «Premièrement, elles ne nécessitent pas de matériaux inorganiques toxiques et rares comme le lithium, le cobalt, le nickel ou le manganèse. Ensuite, les batteries polymères offrent d’autres avantages tels que l’utilisation de matériaux biologiques renouvelables, la flexibilité, les possibilités de recyclage et d’utiliser des méthodes de fabrication additive comme l’impression en 3D. Notre rêve avec iPES-3DBat était de développer des matériaux qui permettent aux personnes d’imprimer leur propre batterie à la maison.»

Des biopolymères aux applications à faible consommation d’énergie

Alors que les cellules de batterie présentent traditionnellement une structure plane, les encres d’impression en 3D permettraient de créer différentes formes. Elles fourniraient également une plus grande puissance et une meilleure densité énergétique en raison de la surface accrue des électrodes. Pour créer ces encres, le projet iPES-3DBat a utilisé de nouveaux polymères redox déjà développés dans le cadre d’iPES. Ils comprennent des biopolymères abondants dans la nature comme la lignine, ce qui implique également un processus de recyclage bien plus simple. Outre leur optimisation pour l’impression en 3D, les biopolymères ont trois points communs essentiels. Ils sont sûrs pour l’environnement, exempts de produits chimiques toxiques et réalisés à partir de ressources renouvelables. «La partie de l’impression en 3D n’a pas été simple. Nous avons dû imprimer entre trois et cinq couches différentes (couche conductrice, anode, cathode et électrolyte) et veiller à ce qu’elles fonctionnent ensemble harmonieusement», souligne David Mecerreyes. Le projet est parvenu à faire la démonstration de plusieurs batteries polymères 3D, bien que celles-ci ne puissent pas encore rivaliser avec les batteries lithium-ion dans les applications grandes consommatrices d’énergie telles que les véhicules électriques ou les téléphones portables. Mais elles sont toujours utiles, comme le précise David Mecerreyes: «Nous pourrions prévoir des applications de niche pour les batteries fines ou 3D dans l’électronique (ou la micro-électronique), la santé, l’Internet des objets ou les jouets, par exemple.» Les prototypes de batteries se comportent relativement bien avec des tensions ajustables entre 0,5 et 1,5 V et une densité énergétique/de puissance de l’ordre de 80,6 Wh kg‒1/348 kW kg‒1, ce qui pourrait suffire pour de telles applications. Les batteries sont assez solides et peuvent vivre jusqu’à plus de 1 000 cycles. «Avec POLYKEY, nous entendons maintenant fournir au marché des polymères pour les batteries ainsi que des solutions polymères durables pour le recyclage des plastiques et l’industrie biologique. Depuis la fin du projet, nous avons travaillé à l’accroissement de notre portefeuille de matériaux et cherché des partenaires et des investisseurs intéressés par cette technologie», conclut David Mecerreyes.

Mots‑clés

iPES-3DBat, lithium-ion, POLYKEY, biopolymères, batteries à l’état solide

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