Un accumulateur sec pour plus de sécurité

Les batteries lithium-ion permettent de stocker beaucoup d'énergie dans un espace réduit. Cela en fait la source d'énergie de choix pour les appareils électroniques mobiles. Les téléphones portables, les ordinateurs portables, les vélos électriques et les voitures électriques sont aujourd'hui alimentés par de tels accumulateurs. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont désormais développé un type d'accumulateur qui, contrairement aux accumulateurs traditionnels, est composé exclusivement de composés chimiques solides et n'est pas inflammable.

Les batteries lithium-ion classiques ne sont en effet pas sans danger : à plusieurs reprises par le passé, des batteries de téléphones portables ont explosé, provoquant des blessures. Et dans la vieille ville de Steckborn, au bord du lac de Constance, une rangée entière de maisons a br?lé il y a six mois. L'incendie a été déclenché par un accumulateur de modélisme qui a pris feu parce qu'il avait été chargé de manière probablement inappropriée.

Les accumulateurs à l'état solide peuvent être fortement chauffés.

Dans les accumulateurs lithium-ion classiques ainsi que dans la plupart des autres batteries, le p?le positif et le p?le négatif - les deux électrodes - sont fabriqués à partir de composés conducteurs solides ; entre ces électrodes, des charges se déplacent dans un électrolyte liquide ou sous forme de gel. Si l'on charge une telle batterie de manière inappropriée (si on la surcharge) ou si on la laisse au soleil, le liquide peut s'enflammer ou le gel peut gonfler.

Il en va autrement dans les batteries dites à l'état solide (en anglais solid state batteries), qui sont actuellement en cours de développement dans de nombreux laboratoires de recherche du monde entier : Dans ces batteries, non seulement les électrodes, mais aussi l'électrolyte qui se trouve entre elles, sont fabriquées dans un matériau solide. "Les électrolytes solides ne commencent pas à br?ler, même lorsqu'ils sont très fortement chauffés ou exposés à l'air libre", explique Jennifer Rupp. Elle est professeure de matériaux électrochimiques à l'ETH Zurich et a dirigé le développement de ce nouveau type de batterie.

Recherche à l'interface

L'un des défis dans le développement d'accumulateurs à l'état solide est de relier les électrodes et l'électrolyte de manière à ce que les charges puissent circuler entre elles avec le moins de résistance possible. Les chercheurs de l'ETH ont désormais trouvé une approche de fabrication améliorée pour cette interface électrode-électrolyte.

En laboratoire, ils ont fabriqué une batterie construite en sandwich : entre les deux électrodes, une couche d'un composé contenant du lithium (grenat de lithium) sert d'électrolyte solide. Le grenat de lithium fait partie des matériaux présentant la conductivité la plus élevée connue pour les ions de lithium.

"Lors de la fabrication, nous avons veillé à ce que la couche d'électrolyte solide ait une surface poreuse", explique Jan van den Broek, étudiant en master dans le groupe de Rupp et l'un des premiers auteurs de l'étude. Les chercheurs ont ensuite appliqué le matériau du p?le négatif sous forme liquide, qui a pu pénétrer dans les pores. Enfin, les scientifiques ont durci la batterie à 100 degrés Celsius. "Avec un électrolyte liquide ou sous forme de gel, il n'aurait pas été possible de chauffer un accumulateur à une température aussi élevée", explique van den Broek. Gr?ce à l'astuce des pores, les chercheurs ont pu augmenter considérablement la surface de contact entre le p?le négatif et l'électrolyte, ce qui a finalement pour effet d'accélérer la charge de l'accumulateur.

Des températures plus élevées pour une plus grande capacité

Les batteries ainsi fabriquées pourraient théoriquement fonctionner à température ambiante normale, explique Semih Afyon, ancien scientifique du groupe de Rupp et aujourd'hui professeur à l'Institut de technologie d'Izmir en Turquie. Toutefois, au stade actuel de leur développement, elles ne fonctionnent vraiment bien qu'à environ 95 degrés. "Les ions de lithium peuvent alors mieux se déplacer dans la batterie", explique Afyon.

Cet état de fait pourrait par exemple être exploité dans des centrales électriques à accumulateurs, capables de stocker l'énergie excédentaire et de la restituer en temps différé. "De nombreux processus industriels génèrent aujourd'hui de la chaleur résiduelle qui s'évapore sans être utilisée", explique Afyon. "En couplant des centrales d'accumulation à batterie avec des installations industrielles, on pourrait utiliser la chaleur perdue pour faire fonctionner la centrale d'accumulation à des températures optimales".

Nouveaux accumulateurs à couches minces

"De nombreux projets de recherche actuels sur les batteries à l'état solide se concentrent sur l'amélioration des électrolytes", explique Afyon. Selon lui, il existe peu d'études comme celle-ci, dans laquelle les scientifiques assemblent et testent une batterie à l'état solide entière - en utilisant les mêmes méthodes que celles utilisées dans la production industrielle.

"Dans ce travail, nous avons pour la première fois fabriqué un accumulateur lithium-ion entier avec un électrolyte solide de grenat de lithium et un p?le négatif solide d'un oxyde. Nous avons ainsi démontré qu'il est possible de construire des batteries entières avec du grenat de lithium", explique la professeure Rupp de l'ETH. Gr?ce à cet électrolyte solide, on peut non seulement faire fonctionner les batteries à des températures plus élevées, mais aussi construire des accumulateurs à couches minces. Et notamment des batteries qui pourraient être placées directement sur des puces en silicium.

"Ces accumulateurs à couches minces pourraient révolutionner l'alimentation en énergie des appareils électroniques portables", explique Rupp. Elle et son équipe poursuivent cette approche dans le cadre de recherches supplémentaires. Pour ce faire, ils ont également collaboré avec des partenaires industriels ainsi qu'avec l'Institut Paul Scherrer et l'Empa. Les prochaines étapes consisteront à optimiser l'accumulateur, notamment en augmentant la conductivité à l'interface électrode-électrolyte.