De nombreux appareils et machines électriques mobiles n’auraient pas pu percer sur le marché sans les batteries lithium-ion. Ce sont elles qui permettent d’utiliser un téléphone portable pendant de longues heures sans le recharger ou offrent une autonomie de 400 kilomètres et plus aux véhicules électriques. Mais après des années de progrès constants, leur densité énergétique commence à montrer ses limites: seule une augmentation de 10 % reste envisageable. L’industrie automobile travaille d’arrachepied au développement de nouvelles batteries présentant une capacité de stockage accrue. Elles devraient doper l’autonomie des véhicules électriques à poids égal ou permettre une autonomie équivalente avec un poids nettement moindre.

Les batteries solides sont un concept très prometteur. Elles stockent l’énergie électrique selon le même principe que les batteries lithium-ion, mais à la place du graphite, elles emploient du lithium sous forme métallique en tant que matériau actif de l’anode. Celui-ci est très léger et a une bien plus grande capacité de stockage. L’autre différence concerne l’électrolyte qui permet le transfert des ions entre la cathode et l’anode. Il doit désormais être solide, par exemple à base de polymères. Par rapport à l’électrolyte liquide, il a l’avantage d’être moins inflammable. De plus, le corps solide empêche la cristallisation des oxydes métalliques (dendrites) sur l’anode, qui peuvent engendrer un court-circuit dans la cellule de batterie.

Une batterie de voiture à cellules solides peut stocker 30 % d’énergie en plus que les batteries lithium-ion actuelles. La suppression du graphite a en outre des conséquences positives sur son écobilan. Mais la manipulation du lithium métallique constitue un réel défi, car il est très réactif et s’enflamme par exemple au contact de l’eau. Cette propriété pourrait compliquer la récupération des matériaux sur les batteries solides en fin de vie. Dans l’ensemble, celles-ci seront toutefois plus écologiques que celles à électrolyte liquide.

Les batteries solides ne sont pas encore produites en masse. Dans le cadre du projet «SOLiD» (voir encadré), 14 partenaires issus de neuf pays européens souhaitent promouvoir leur développement ces quatre prochaines années. Leur ambition est de concevoir un procédé de fabrication durable et rentable de batterie lithium-métal à l’état solide, qui puisse être recyclée facilement et en toute sécurité à la fin de sa vie. Les institutions et entreprises impliquées couvriront toute la chaine de valeur ajoutée, de la fabrication au recyclage. La BFH participe au projet «SOLiD» par l’intermédiaire de l’Institut des systèmes industriels intelligents I3S.

L’équipe de recherche de la BFH a pour mission de réduire l’utilisation des ressources dans le procédé de fabrication. À cet effet, elle produira un long ruban d’électrodes (cathodes et anodes) qui est ensuite découpé en morceaux de la taille requise. Contrairement au revêtement humide actuel des électrodes, un procédé de revêtement à sec doit être utilisé pour fabriquer les batteries solides.

Cela simplifiera certaines étapes du procédé et évitera le séchage ultérieur très énergivore des électrodes. Mais le revêtement à sec et la découpe peuvent produire des particules qui se déposent sur les électrodes et les contaminent, ce qui crée un risque de court-circuit et de destruction de cellules de batterie. Les moindres erreurs de production peuvent ainsi entrainer le gaspillage d’une grande quantité de matériaux précieux. Pour prévenir ce risque, il faudrait pouvoir détecter les électrodes défectueuses et les éliminer avant qu’elles ne soient montées sur une cellule.

Pour repérer les particules problématiques sur les électrodes, l’équipe de recherche de la BFH mise sur un procédé optique composé de caméras et d’une lumière spéciale qui met en évidence les corps étrangers. Un logiciel sera également nécessaire pour analyser les images et gérer l’élimination des électrodes contaminées. À l’heure actuelle, l’équipe détermine encore les composants matériels (caméra, sources d’éclairage) les mieux adaptés. Par la suite, elle construira des prototypes de batteries solides sur l’installation pilote de la BFH à Berthoud et testera les différentes phases de production. Lors de la dernière étape, les procédés développés par la BFH et les 13 autres partenaires seront employés sur l’installation pilote du projet «SOLiD» en Finlande. Ces nouvelles technologies seront ensuite déployées pour la fabrication industrielle des batteries solides.