À l'Empa, des scientifiques travaillent sur les batteries de prochaine génération. Pour les applications mobiles, ils misent sur une batterie à l'état solide qui, dépourvue d'électrolyte liquide, ne pourra donc ni brûler ni exploser. Dans les accumulateurs d'énergie stationnaires, l'objectif est de remplacer le coûteux lithium par des matières moins chères et disponibles en abondance.

Maksym Kovalenko, professeur en matériaux fonctionnels anorganiques (à dr.), et Corsin Battaglia, directeur du département «Materials for Energy Conversion». (Photos: Kellenberger Kaminski Photographie)

Les batteries lithium-ion dominent le marché des batteries. On les trouve dans les smartphones, les ordinateurs et les voitures électriques. Elles sont aussi utilisées par l'EPFL pour le stockage décentralisé de l'énergie solaire. «Ces batteries ont été conçues notamment pour équiper des appareils électroniques portatifs. Elles les ont révolutionnés techniquement», explique Corsin Battaglia, chercheur à l'Empa. «Mais à présent, nous voulons développer la prochaine génération de batteries, pour de nouvelles applications, entre autres dans le domaine de la mobilité et du stockage d’énergie stationnaire, par exemple dans le secteur du bâtiment.»

Les exigences ne sont pas partout les mêmes. Dans les voitures électriques, comme dans les téléphones mobiles, on recherche la compacité. «La densité énergétique y est un facteur décisif», précise le directeur du laboratoire «Materials for Energy Conversion». En revanche, les batteries destinées à stocker l'énergie solaire ou éolienne doivent avant tout être bon marché: le stockage doit coûter beaucoup moins cher au final que la production d'énergie. «Et pour cela, il nous faut des matériaux disponibles en abondance», complète Maksym Kovalenko, à la fois professeur à l'ETH Zurich et chercheur à l'Empa. «Si, dans la perspective de la transition énergétique 2050, nous voulons pouvoir stocker autant d'énergie renouvelable que ce que produit actuellement une centrale nucléaire, il va nous falloir des tonnes de batteries. Ce qui n'est pas envisageable avec le lithium.»

Demande de brevet en cours

Dans le monde entier, on cherche des moyens de remplacer le lithium par du sodium ou du magnésium, par exemple. Kovalenko, aux travaux plusieurs fois récompensés, et son équipe développent une batterie composée d'aluminium, de carbone de synthèse (graphite), de chlore et de solutions organiques. Le chercheur explique que, si la densité énergétique est inférieure de moitié à celle d'une batterie au lithium, les matériaux utilisés sont en revanche beaucoup moins chers. «Ils font partie des 15 éléments les plus fréquents sur terre.» Après trois ans de recherche, Maksym Kovalenko a déposé un brevet pour son invention en 2016.

Les laboratoires de l'Empa expérimentent les nouveaux concepts. C'est ainsi que l'on teste la performance de petites batteries d'essai en leur demandant de faire voler un drone. Les batteries peu coûteuses, mais aux performances limitées de l'équipe de Maksym Kovalenko n'ont guère de chance de se faire une place dans le domaine des applications mobiles. Corsin Battaglia, son collègue, suit une autre idée, plus sûre. «Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui ont toutes un électrolyte liquide à l’intérieur qui relie le pôle négatif et le pôle positif», explique le spécialiste. Ces batteries peuvent fuir et, pire encore, le liquide peut s'enflammer et la batterie exploser. Et à chaque fois, il est nécessaire de procéder au rappel des batteries de mobiles ou d'ordinateurs portables.

Un corps solide plutôt qu'un électrolyte liquide

«À l'Empa, nous développons des batteries qui ne contiennent plus de liquide», explique Corsin Battaglia. L'électrolyte est remplacé par une matière solide ininflammable. La batterie ne se compose donc que d'un seul bloc de matériau. «Elle est donc plus sûre et on espère pouvoir augmenter sa capacité ou densité énergétique», précise le scientifique. Les chercheurs continuent de miser sur le lithium, mais sous une autre forme. Dans les batteries lithium-ion actuelles, le métal léger de l'électrode doit être incorporé dans du graphite, sous peine de voir se former des arborisations, appelées dendrites, lors du va-et-vient des ions lithium entre les électrodes. Ce qui peut entraîner un court-circuit.

Dans la batterie solide, les chercheurs veulent utiliser du lithium sous forme de métal pur comme matériau d'électrode et atteindre ainsi une densité énergétique supérieure. Le problème des dendrites n'est pas encore résolu. «Mais nous avons des idées prometteuses», annonce Corsin Battaglia. Bien que la communauté scientifique internationale privilégie actuellement le lithium, d'autres éléments sont à l'étude. «Aucun principe physique ne dit que fabriquer des batteries solides avec du sodium ou du magnésium est impossible», poursuit le chercheur. «Nous avons déjà obtenu de premiers résultats dans cette direction.»

Recourir à la technologie des couches minces

Parallèlement à ces projets qui portent sur des questions de recherche fondamentale, l'Empa a surtout développé jusqu'à présent des matériaux ou des processus destinés à la fabrication des batteries courantes actuelles. «Mais nous n'avons jamais fabriqué des batteries entières», indique Pierangelo Gröning, qui dirige le département «Matériaux modernes et surfaces» ainsi que le domaine de recherche de l'Empa «Matériaux nanostructurés». Mais la situation va évoluer. «Nous aimerions développer un propre type de batterie au cours des années à venir», annonce Pierangelo Gröning. Le principe de la batterie solide s'y prête parfaitement. «On peut s’appuyer sur de solides connaissances des matériaux, qui sont notre point fort», explique le responsable du département.

L'électrolyte solide doit être aussi fin que possible pour permettre le passage des ions. C'est pour cette raison que les scientifiques recourent à une technologie de couches minces que l'Empa utilise depuis plusieurs années déjà pour la fabrication de cellules photovoltaïques. Chaque couche est appliquée par évaporation. On obtient ainsi une structure sandwich. La batterie à couches minces s'inspire de concepts et matériaux connus. «Rien n'est vraiment nouveau, mais le processus de fabrication joue un rôle aussi important que le choix des matériaux», ajoute Pierangelo Gröning.

Les interfaces où se rencontrent les différents solides sont cruciales. «Grâce à notre savoir-faire, nous comprenons et maîtrisons de tels systèmes», explique l'expert. Le projet est typique de la recherche moderne sur les matériaux, où l'on étudie les matières en interaction avec les processus de traitement. «Tout matériau doit se justifier, sinon il n'est qu'une substance», conclut Pierangelo Gröning.

De l'électricité pour les appareils électroniques portatifs

Les chercheurs de l'Empa ont obtenu un film souple muni d'électrodes. Enroulée, cette batterie ressemble à une batterie traditionnelle. En principe, on pourrait aussi fabriquer des batteries plus grandes à partir de cette méthode, mais les développeurs misent avant tout sur la forme de film qui permet, par exemple, une intégration dans des tissus. La batterie en couches minces se prête bien au «Wearable Electronics» car elle s'adapte facilement et est ininflammable. De premiers échantillons de batteries confirment que le principe fonctionne. Pour les scientifiques, la prochaine étape est d'augmenter la densité et la capacité. Le responsable du département attend des «résultats très concluants» pour fin 2017.

Avant de pouvoir commercialiser le produit, il faudra optimiser l'ensemble du système de batterie. Hormis les processus de dépôt connus, on pourrait recourir à des procédés chimiques par voie humide, comme dans la technique d'impression en 3D. «D'ici là, il nous faudra répondre à de nombreuses questions sur les techniques des processus, de façon à ce que chaque couche ait les meilleures propriétés possibles», souligne le spécialiste. Ce qu'il faut, c'est pouvoir un jour produire le système en grandes quantités à prix raisonnable: «Ici, il n'est pas question de quelques centaines de mètres de films. Pour avoir une chance sur le marché, nous devons être en mesure d'en fabriquer des centaines de kilomètres.»