Une rupture technologique : c’est ainsi que Joel Gaubicher, directeur de recherche au CNRS et Philippe Moreau, professeur à Nantes Université, définissent la découverte de leur équipe à l’Institut des matériaux de Nantes Jean Rouxel. En soumettant un électrolyte solide halogéné, à base de lithium, de chlore et de zirconium à une tension de 5 volts, ils ont mis au jour deux nouvelles fonctions, capables d’accroître la durée de vie en cyclage des batteries tout-solide tout en augmentant leurs performances. Ce résultat, qui a été publié dans le Journal of the Electrochemical Society, a fait l’objet d’un dépôt de brevet courant mars.
Augmenter la quantité d'électrons captée par l'électrode positive
Plus précisément, indiquent les chercheurs, « en 2023, on avait remarqué que les électrolytes halogénés avaient, outre leur fonction principale de transporter des ions, la particularité de libérer et de stocker des électrons. Notre idée a été d’utiliser cette propriété pour augmenter la quantité d’électrons captée par l’électrode positive, où ils sont stockés puis restitués à chaque cycle de la batterie ». Grâce à cette fonction, l’électrode positive enregistre ainsi un gain de capacité électrique de plus de 35%.
Mais cela ne s’arrête pas là : une partie des électrons libérés sont également injectés irréversiblement dans l’électrode négative. « Ils servent ainsi à réparer des défauts, plus précisément des pertes d’électrons, qui se créent habituellement dans cette électrode et qui, si rien n’est fait, altèrent les performances de la batterie. Les électrons générés par l’électrolyte servent à compenser ces électrons perdus donc en quelque sorte à réparer l’électrode », explique Joël Gaubicher. Le gain de capacité électrique est ici encore plus phénoménal puisqu’il est compris entre 50% et 110%.
Un électrolyte soumis à une tension de 5 volts
Pour débloquer ces deux nouvelles fonctions, il n’est donc nécessaire que de monter la tension de la cellule jusqu’à 5 volts - ce que les chercheurs appellent “le protocole 5 volts”. « Nous avons exploité, finalement, l’instabilité de l’électrolyte à notre profit », selon Philippe Moreau. « Tous les électrolytes perdent des électrons lorsqu’ils sont soumis à un fort potentiel - pour les électrolytes chlorés, c’est à partir de la zone des 4 volts. C’est normalement un problème puisqu’ils perdent leur propriété essentielle de transport des ions. Nous avons montré que ce n'était pas le cas ici et que ces électrons pouvaient être mis à profit pour augmenter de façon considérable les performances de la batterie », renchérit Joël Gaubicher.
Et ce procédé peut être déclenché à tout moment par l’opérateur : « Après plusieurs centaines de cycles, la batterie perd en capacité et s’use. Si l’on déclenche le protocole 5 volts à ce moment-là, on restitue quasiment l’état initial de la batterie ce qui permet d’accroître significativement la durée de vie de ces batteries », affirme Joel Gaubicher. Pour lui, cela répond à un enjeu majeur dans les recherches sur les batteries tout-solides : « il y a des laboratoires entiers qui travaillent sur cette problématique, en mettant des capteurs ou en ajoutant des additifs, rappelle Philippe Moreau. Avec notre solution, le composé actif est l’électrolyte lui-même, il est déjà intégré à la batterie, il n’y a rien à ajouter ».
Un procédé extrapolable à d'autres types d'électrolyte
L’efficacité de cette nouvelle solution a ensuite été éprouvée sur des cellules tests : « C’est un point important parce que cela signifie que cette technologie fonctionne avec des cellules qui sont extrapolables au niveau industriel. Ces dernières ont comme spécificité d’avoir des électrodes épaisses, contrairement à celles des cellules modèles classiquement utilisées en laboratoire », ajoute le spécialiste.
Si seul un type d’électrolyte halogéné a pour le moment été testé, les chercheurs sont confiants sur la possibilité d’extrapoler cette découverte à d’autres types d’électrolyte. « Ce procédé est tellement simple qu’il peut être utilisé sur tout type d’électrolytes halogénés au lithium, et a priori au sodium », précise Joël Gaubicher, même s’il reste prudent sur ce dernier point, tant qu’il n’a pas été vérifié expérimentalement.
Cela fait partie des prochaines étapes auxquelles s’attaque dorénavant l’équipe, avec un objectif en tête : étendre cette approche à d’autres chimies de batterie et augmenter le niveau de maturité technologique (TRL) de 1-2 à plus de 3, en passant de la preuve de concept à des démonstrateurs pré-industriels. Pour cela, l’équipe peut s’appuyer sur l’aide de la SATT Ouest Valorisation, avec laquelle le brevet a été déposé : « Un financement de la SATT Ouest Valorisation en partenariat avec un industriel nous permettrait d’embaucher des jeunes chercheurs contractuels pour explorer plus et plus vite ».
