Des batteries de nouvelle génération sur mesure

Il y a tout juste trente ans que la première batterie lithium-ion à usage commercial (dans une caméra vidéo) est apparue sur le marché. Aujourd’hui, il est impossible d’imaginer le quotidien sans ces dispositifs de stockage d’énergie. Grâce à leur forte densité énergétique et à leur durabilité, elles sont utilisées partout, des smartphones aux tondeuses à gazon sans fil, en passant par les vélos électriques et les voitures à moteur électrique. Parallèlement aux améliorations techniques et à l’augmentation constante de la production, les couts de fabrication des batteries lithium-ion diminuent rapidement. Entre 2010 et 2020, ils sont passés d’une moyenne de 1100 à 137 dollars US par kilowattheure (kWh). En 2023, ils devraient passer sous la barre des 100 dollars US/kWh. Dès lors, les véhicules à propulsion électrique seront à égalité avec ceux à moteur à combustion en matière de prix et finiront par les laisser derrière eux. Tesla affirme avoir déjà atteint ce seuil magique.

En termes de densité énergétique et de durée de vie, les batteries lithium-ion peuvent encore être améliorées. En Suisse, la recherche a bénéficié d’une impulsion importante de la part du Swiss Competence Centre for Energy Research SCCR (2013-2020), financé par le Fonds national suisse et Innosuisse. Dans le cadre de ce programme, la BFH a construit à Berthoud une installation qui est désormais à la disposition de la recherche et de l’industrie. L’installation de production permet de fabriquer de petites séries de cellules de batterie à partir de diverses substances et dans toutes les dimensions. Les tailles possibles s’étendent du format de carte de crédit aux cellules de 30 × 15 centimètres. Des cellules de cette taille sont actuellement utilisées dans les batteries de la Renault Zoe, par exemple.

L’installation de fabrication de la BFH teste les composants tels que les cathodes, les anodes et les électrolytes et les transforme en cellules finies. Elles sont ensuite utilisées dans les laboratoires de recherche et de développement des institutions et des entreprises qui s’occupent principalement d’optimiser la gestion énergétique des batteries. Les acquéreurs potentiel-le-s des petites séries sont également des entreprises qui ne trouvent pas sur le marché de batteries répondant à leurs besoins spécifiques.

Les batteries lithium-ion peuvent stocker l’électricité et la restituer en cas de besoin grâce à des processus chimiques. Les principaux composants de la batterie sont les électrodes : les cathodes en oxyde métallique (par exemple l’oxyde de nickel-manganèse-cobalt, NMC) et les anodes en graphite. Les deux électrodes sont reliées par un électrolyte liquide, qui sert de milieu de transport pour les ions lithium. Une fine membrane non perméable aux électrons fait office de séparateur entre les électrodes. Ces composants sont assemblés dans l’installation de production de la BFH pour former la cellule finie, en suivant un processus automatisé.

Les électrodes sont des feuilles minces enroulées sur des rouleaux, dans lesquelles un laser découpe la forme souhaitée. Cette méthode est extrêmement précise et présente l’avantage, par rapport à la technique de poinçonnage traditionnelle, de ne pas utiliser d’outils sensibles à l’usure. Cela permet de réduire les erreurs de production qui pourraient affecter les performances de la cellule. De plus, les dimensions des électrodes peuvent être réglées facilement et rapidement sur l’ordinateur via le système de contrôle du laser, sans avoir à changer de pièces comme c’est le cas avec la poinçonneuse. Cela garantit la plus grande flexibilité lors de la production d’électrodes aux caractéristiques individuelles. Toutefois, l’installation n’est pas conçue pour des vitesses élevées et des volumes de production importants.

Après la découpe, les électrodes sont empilées, chaque cathode étant séparée des anodes adjacentes par une membrane séparatrice. La pile d’électrodes est enfin connectée à des conducteurs électriques, enveloppée dans un film plastique et le tout est rempli d’électrolyte.

Dans le cadre du projet de recherche européen HIDDEN, la BFH participe également au développement de batteries de nouvelle génération. Les partenaires de recherche européens et suisses veulent développer ensemble, d’ici à fin 2023, des technologies adaptées à la production de batteries au lithium-métal, économes en ressources et rentables. Dans ces dernières, l’anode est constituée de lithium pur, le graphite n’est plus nécessaire comme support de stockage des ions lithium. La nouvelle technologie permettra d’augmenter la durée de vie et la densité énergétique des batteries jusqu’à 50 % par rapport aux batteries lithium-ion classiques, ou de réduire le poids encore élevé des batteries tout en conservant les mêmes performances. Le lithium pur étant extrêmement réactif, il ne peut pas encore être traité avec le laser dans un environnement contenant de l’oxygène.

L’usine de production de Berthoud dispose donc d’un dispositif permettant de poinçonner les anodes dans une atmosphère d’argon. L’installation de production de batteries offre à la recherche et à l’industrie une plateforme optimale pour innover dans le domaine de la technologie des batteries. Les étudiant-e-s de la BFH profitent également de cette collaboration, en l’occurrence ceux de la filière Mécanique. Une cinquantaine d’étudiant-e-s ont contribué à la construction de l’installation dans le cadre de leurs travaux de projet ou de mémoire, ou participent aujourd’hui à son développement.