Promise par le constructeur automobile japonais Toyota depuis plus d’une dizaine d’années, la batterie tout-solide prend des allures d’Arlésienne. D’abord prévue pour 2022, 2025, puis 2027, elle ne devrait finalement pas arriver avant 2028 – à moins qu’elle ne soit encore repoussée. Ces reports traduisent les difficultés auxquelles se trouvent confrontés ceux, industriels ou chercheurs, qui se lancent dans la quête du graal : une batterie à la fois plus sûre, puisque sans électrolyte liquide inflammable, et surpassant les performances de la batterie Li-ion, qui plafonne à une densité énergétique d’environ 250 Wh/kg.
La batterie tout-solide, dans son acceptation la plus stricte, se compose en effet d’un électrolyte inorganique solide – un oxyde ou un sulfure – et d’une anode en lithium métal. « Le lithium a la capacité extraordinaire de produire dix fois plus d’électricité par gramme que le graphite aujourd’hui utilisé à l’anode dans les batteries Li-ion, soit 3 800 mAh/g (contre 380 mAh/g) », explique Renaud Bouchet, chercheur au Laboratoire d’électrochimie et de physico-chimie des matériaux et des interfaces (Lepmi), à Grenoble, et codirecteur du Lab lithium & interface (Li2), laboratoire commun avec Blue Solutions. Mais il y a un hic : « En milieu liquide, lors de la recharge, le lithium dissous pendant la charge se dépose à nouveau sur l’électrode en électro-dépôts hétérogènes. Ces dendrites finissent à terme par traverser l’électrolyte et provoquer un court-circuit. Cela peut causer des feux de batterie », précise le spécialiste. L’usage d’un électrolyte solide est la voie pour éviter, ou du moins limiter, ce risque.
Florent Robert Mais parvenir à combiner anode lithium et électrolyte représente un immense défi, chaque type d’électrolyte ayant ses avantages et ses inconvénients. Côté oxyde, « le gros problème est la cathode qui se dégrade rapidement à cause des réactions qui se passent lors du cyclage : en général, au bout de dix cycles, on a perdu la moitié de la capacité de la batterie », pointe Olivier Guillon, le directeur de l’Institute of energy materials and devices au centre de recherche de Jülich, en Allemagne.
Pour les sulfures, le principal verrou se situe au niveau du contact avec l’anode de lithium. « En appuyant très fort dessus, il est possible de déformer ces solides pour leur faire épouser la forme que l’on souhaite. Mais si l’on veut que cela fonctionne, il faut maintenir ces pressions. Elles sont énormes, de l’ordre d’une centaine de mégapascals, soit 1 000 fois la pression atmosphérique », relève Renaud Bouchet. Par ailleurs, les sulfures ont l’inconvénient d’être assez instables chimiquement. En réagissant avec l’humidité de l’air, ils forment des composés toxiques et inflammables tels que le sulfure d’hydrogène.
Ces dernières années, des avancées notables ont néanmoins été réalisées : la pression nécessaire pour offrir un contact optimal entre l’anode en lithium métal et l’électrolyte en sulfure « a été diminuée d’un facteur 10 », indique Benoit Chavillon, le chef du laboratoire Prototypage et procédé composants de batteries au CEA, à Grenoble. C’est déjà une belle prouesse, même si « cela reste au moins dix fois plus élevé que ce que l’on souhaiterait atteindre. »
Sur le lithium métal spécifiquement, de nouvelles stratégies sont en développement pour gérer la formation de dendrites, qui persistent malgré l’utilisation d’un électrolyte solide. « L’idée est d’avoir une grande surface d’échange pour que la densité de courant soit faible localement, ce qui évite la formation de bouchons de lithium. On peut par exemple utiliser une anode poreuse, afin de créer une énorme surface sur laquelle le lithium peut se déposer. Cela fonctionne assez bien mais, en contrepartie, cette porosité réduit la densité d’énergie », détaille Olivier Guillon.
« Nous travaillons à la synthèse de matériaux d’électrode adaptés aux batteries tout-solide, ajoute le spécialiste, car jusqu’à présent, ces matériaux ont été développés et optimisés de façon à être infiltrés par les liquides. Avec le tout-solide, on cherche à avoir un contact solide intime entre matériaux d’électrode et électrolyte. » Côté matériaux actifs de la cathode, cela se traduit « par un travail sur des monocristaux, plutôt que sur les polycristaux des batteries Li-ion classiques, selon Caroline Celle, la responsable du laboratoire matériaux dédié aux batteries du CEA, à Grenoble. Cela donne des structures solides et denses qui contrebalancent les problèmes de tenue mécanique dans le mix matériaux actifs et électrolyte. »
Des avancées notables d’ici à cinq ans
De nombreux verrous restent donc à lever avant de voir arriver sur le marché une vraie batterie tout-solide. « Cela ne sera pas envisageable tant qu’elle n’aura pas supplanté les performances de la batterie liquide actuelle, assure Caroline Celle. Car si elle reste à un niveau de performances équivalent, on ne remplacera pas les chaînes de production déjà mises en place pour passer au pur tout-solide. » Néanmoins, selon Olivier Guillon, « vu l’accélération des choses et le grand nombre d’acteurs dans le monde, il devrait y avoir d’ici à cinq ans des avancées notables pour lancer la production de petites séries ». La commercialisation à grande échelle, elle, ne devrait pas arriver avant quinze ans.
Lorsqu’un concurrent arrivera avec quelque chose de vraiment viable commercialement, cela sera un point de rupture technologique par rapport aux batteries traditionnelles Li-ion.
— Mickael Dollé, le directeur du Laboratoire chimie et électrochimie des solides à l’université de Montréal
En attendant, d’autres solutions intermédiaires sont envisagées comme les batteries Li-ion tout-solide avec une anode en graphite, ou les batteries tout-solide avec une anode en silicium. Mais l’intérêt est moindre, puisque aucun de ces matériaux ne peut concurrencer le lithium métal en densité énergétique. C’est pour cela que de nombreux acteurs s’orientent vers d’autres propositions quasi-solides qui, sans atteindre les performances du pur tout-solide, sont plus faciles à mettre en œuvre et à commercialiser, tout en intégrant une anode en lithium métal. C’est le cas de l’américain QuantumScape, du taïwanais ProLogium et de certains géants chinois comme CATL ou BYD. D’autres voies sont aussi explorées, comme les batteries tout-solide intégrant un électrolyte solide en polymère et une anode en lithium métal développées par le français Blue Solutions, pionnier dans ce domaine.
Car il ne faudrait pas rater le coche. « Lorsqu’un concurrent arrivera avec quelque chose de vraiment viable commercialement, cela sera un point de rupture technologique par rapport aux batteries traditionnelles Li-ion », prévient Mickael Dollé, le directeur du Laboratoire chimie et électrochimie des solides à l’université de Montréal, au Canada. « Or en Europe, et plus particulièrement en France, continue le spécialiste, l’investissement n’est peut-être pas à la hauteur de ceux réalisés par Taïwan, le Japon, la Chine ou les États-Unis. On refait les mêmes erreurs que sur le lithium-ion, où l’on a été à un moment plutôt observateur avant de se lancer. On attend un peu, puis l’Asie prend toutes les parts de marché. »
Signe de son intérêt pour ce secteur, le gouvernement chinois a créé le China all-solid-state battery collaborative innovation platform (Casip), en février 2024. Ce consortium réunit des constructeurs automobiles comme Nio, des fabricants de batteries (CATL, BYD), des universités, des instituts de recherche et des fonds d’investissement gouvernementaux. L’objectif : mettre en place, d’ici à 2030, une chaîne de valeur capable de s’imposer face à la concurrence internationale. Cette initiative traduit une tendance générale, comme le souligne Jean-Marie Tarascon, professeur au Collège de France, titulaire de la chaire Chimie du solide et énergie : plus que les constructeurs automobiles, « ce sont les gouvernements qui tirent la recherche sur le sujet ».
En attente de résultats concrets
En France, le spécialiste des batteries Saft a lancé en 2023 Elias, un ambitieux projet de 23 millions d’euros, opéré par Bpifrance et soutenu par France 2030 à hauteur de 12,5 millions d’euros. Il intègre des partenaires académiques, dont le CEA et le CNRS, ainsi que des entreprises comme Ingecal, qui met au point des équipements pour réaliser des électrodes et des électrolytes solides. Elias vise à développer un démonstrateur industriel de production de batteries à électrolyte solide de grande performance.
De leur côté, les constructeurs automobiles restent malgré tout intéressés, même s’ils sont en attente de résultats concrets. Si le géant américain Tesla demeure plutôt discret sur le sujet, l’allemand Mercedes-Benz a annoncé, le 24 février, commencer les premiers tests sur route d’un prototype équipé d’une batterie quasi-solide avec une anode en lithium métal développée par l’américain Factorial Energy. « Certains constructeurs signent des partenariats avec des entreprises qui développent ces technologies, pour être dans le bon wagon si la technologie réussit », indique Jean-Marie Tarascon.
« Pour le moment, leurs attentes principales concernent la réduction du prix des batteries, l’augmentation de l’énergie embarquée et la diminution du temps de charge. Les batteries tout-solide sont très prometteuses sur les deux derniers points techniques, qui motivent très fortement les constructeurs », affirme Matthieu Hubert, le secrétaire général d’ACC, coentreprise créée par Stellantis, Total et Mercedes Benz pour développer et produire des batteries pour la mobilité électrique.
Mais, nuance-t-il, « tant que l’équation économique, la compétitivité face aux solutions existantes dans une production à grande échelle ne sont pas résolues, l’émergence de la filière tout-solide sera retardée ». Le plus gros verrou de la batterie tout-solide pourrait bien être la maturité du lithium-ion.
© CYRIL ABAD / CAPA PICTURES 
© CYRIL ABAD / CAPA PICTURES Lancé en 2023, le programme de recherche Elias, porté par Saft, vise à développer une batterie tout-solide à haute performance.
L’alternative sodium
« Avec les batteries tout-solide au sodium, l’idée est d’avoir une alternative qui permette de gagner en souveraineté, en ayant des chimies à base d’éléments moins critiques que le lithium, le cobalt ou le nickel », indique Olivier Guillon, le directeur de l’Institute of energy materials and devices au centre de recherche de Jülich, en Allemagne. Un avantage non négligeable, qui a conduit à un regain d’intérêt pour ces batteries, notamment depuis la guerre en Ukraine. « Cela a déclenché une prise de conscience », constate le spécialiste.
Le point fort de ces batteries est qu’elles parviennent à faire sauter presque tous les verrous des batteries tout-solide au lithium métal. « La conductivité des oxydes de sodium est excellente, de l’ordre de 10 millisiemens par centimètre à température ambiante, ce qui est aussi bien que les électrolytes liquides », détaille Olivier Guillon.
Par ailleurs, ces oxydes de sodium sont très stables à l’air (elles réagissent peu avec l’humidité ou le CO2) et permettent d’obtenir des densités de courant jusqu’à dix fois plus élevées qu’avec le lithium, le tout sans avoir de dendrites. « Le dernier verrou, c’est à nouveau la cathode. Nous avons réussi à développer une méthode de frittage pour éviter la dégradation des matériaux en contact, de cycler sans dégradation massive, à température ambiante, et toujours sans avoir à appliquer de pression, explique le chercheur. Nous avons donc tous les ingrédients pour développer une technologie disruptive. » Si, « au niveau énergétique, nous ne pouvons pas concurrencer avec le lithium métal », cela pourrait faire de ces nouvelles batteries des candidates idéales pour le stockage stationnaire ou pour certains types de mobilité (vélos, scooters...). « En revanche, il reste un point d’attention : l’inflammabilité du sodium », prévient Olivier Guillon.
En attendant, certaines start-up commencent déjà à se lancer dans ce secteur. « C’est le cas de TaiSan, implanté au Royaume-Uni, qui développe une technologie assez unique de batterie quasi-solide au sodium, très compétitive », comme le souligne Kenya Shatani, de l’Alliance européenne des batteries. En juin 2024, TaiSan a levé 1,3 million de livres sterling (1,57 million d’euros) pour accélérer le développement de sa technologie.
La start-up britannique TaiSan a mis au point une technologie innovante de batterie quasi-solide au sodium.
