L'engouement autour des batteries tout-solide ne doit pas faire oublier que le lithium-ion (Li-ion) est loin d’être dépassé. Et que les travaux vont bon train pour l’améliorer. « Bien sûr qu’il y a encore de la marge de progression », assure Julien Bernard, chef de projet batteries pour le Centre de résultats transport à l’IFP Énergies nouvelles. « Le Li-ion à électrolyte liquide restera la technologie principale pendant au moins une décennie », assène Sébastien Liatard, ingénieur chercheur au CEA-Liten. « Une somme de petites avancées incrémentales devrait permettre de repousser encore ses performances », ajoute son collègue Sébastien Martinet, expert du stockage électrochimique au CEA-Liten.
« Pour les prochaines générations de cellules Li-ion, les grandes avancées se feront surtout grâce à l’amélioration de la chimie et des matériaux, souligne Julien Bernard. Un gros travail a été fait sur le design interne des cellules et la marge de manœuvre est maintenant faible. » Une analyse partagée par Philippe Bonnet, le directeur du Centre de recherche Rhône-Alpes d’Arkema : « Tous les axes d’amélioration sont importants. Mais tout est fait dans le but de s’adapter aux nouvelles chimies qui vont permettre des gains significatifs de performances. »
Pour les prochaines générations de cellules Li-ion, les grandes avancées se feront surtout grâce à l'amélioration de la chimie et des matériaux.
— Julien Bernard, chef de projet batteries pour le Centre de résultats transport à l'Ifpen
Objectif 350 Wh/kg pour les futures batteries NMC
Alors que les batteries dites de génération 3a sont entrées sur le marché, celles de la génération 3b sont attendues prochainement. « Cela pourrait être autour de 2025 », précise Julien Bernard. Avec des densités d’énergie atteignant 285 wattheures par kilogramme (Wh/kg), la génération 3a regroupe les batteries avec une électrode positive en nickel-manganèse-cobalt (NMC) riche en nickel (NMC622, NMC811) et intégrant une petite quantité de silicium dans l’électrode négative en graphite. Pour la génération 3b, « la cible est à 350 Wh/kg », pointe Julien Bernard.
Les batteries utiliseront par exemple des électrodes positives encore plus riches en nickel, donc à plus forte capacité massique – comme celles en NMC 9-0,5-0,5 ou en NCMA, mélange entre du nickel-cobalt-aluminium (NCA) et du NMC. Ou encore des matériaux d’électrodes à plus haut -potentiel, comme le nickel-manganèse-oxyde (NMO) – sans cobalt. Et les électrodes négatives auront encore plus de silicium.
Regain d'intérêt pour le Li-rich
À ne pas négliger non plus, les matériaux d’électrode positive enrichis en lithium (Li-rich) ou désordonnés de type « rock salt », estime Sébastien Martinet. « L’intérêt pour les oxydes lamellaires de type Li-rich était un peu retombé ces cinq dernières années, mais nous constatons un net regain car on peut grâce à eux s’affranchir du cobalt en lui préférant le manganèse », relate l’expert du CEA-Liten. Ces oxydes permettent aussi d’atteindre des capacités de stockage importantes, de « presque 250 milliampères-heure par gramme (mAh/g), alors que les meilleurs composés d’électrode positive sont aujourd’hui limités à moins de 200 mAh/g », affirme Sébastien Martinet.
Leur point faible reste leur potentiel de fonctionnement, qui diminue rapidement au fil des cycles. Quant aux matériaux désordonnés de type « rock salt » , ils offrent eux aussi l’avantage, grâce à leur structure et leur composition, d’accroître les capacités de stockage. « Ce sont des travaux plus récents et on est encore loin de la commercialisation, admet Sébastien Martinet. Mais ils intéressent la plupart des acteurs majeurs industriels et académiques. »
Nécessaire adaptation du design des packs
Le design devra toutefois s’adapter aux nouvelles chimies, notamment aux contraintes mécaniques que pourraient exercer de forts taux de silicium incorporés dans les électrodes négatives, faisant gonfler les cellules. « Les cellules au format “pouch” semblent plus adaptées pour y maintenir une pression tout en les laissant respirer, avance Julien Bernard. Et les packs devront intégrer des composants pour absorber les déformations, comme des couches souples ou des ressorts. »
Il évoque une autre tendance, le « cell-to-pack », qui consiste à aller directement de la cellule au pack, sans passer par l’étape module : « Cela a l’avantage de faire gagner de la place. Des entreprises chinoises ont proposé cette solution, notamment avec du lithium-fer-phosphate. » Enfin, une dernière tendance concerne le refroidissement direct des packs par immersion dans un liquide. « De nombreux prototypes émergent », se réjouit le chef de projet. Le Li-ion n’a pas dit son dernier mot…
