Ruée sur les batteries tout-solide

Les batteries solides voient affluer des centaines de millions d'euros d'investissement en provenance du secteur automobile. « La course aux batteries à électrolyte solide s'accélère à travers le monde. Tous les constructeurs auto ont désormais intégré les batteries à électrolyte solide à leurs road-maps. Ce n'est plus un objet de laboratoire futuriste », pose Éric Kirstetter, associé du cabinet Roland Berger. En début d'année, la start-up Factorial Energy a ainsi levé 195 millions d'euros auprès de Stellantis et Mercedes-Benz.

Ce dernier s'est aussi allié avec la jeune pousse chinoise ProLogium, qui a annoncé en octobre 2021 une levée de fonds record de 326 millions de dollars. En mai 2021, c'était la deeptech Solid Power qui ajoutait 130 millions d'euros à son capital avec Ford et BMW. Un peu plus tôt, SolidEnergy Systems (SES) captait 135 millions de dollars de General Motors tandis que Volkswagen doublait sa mise dans la start-up QuantumScape avec un nouvel investissement de 100 millions de dollars.

Les calendriers que s'imposent les fabricants en la matière sont très serrés : Toyota et Volkswagen comptent mettre sur le marché des véhicules électriques dotés de batteries à électrolyte solide dès 2025. Leurs concurrents Stellantis, Honda et Nissan espèrent leur emboîter le pas dans les trois années qui suivent. Quant à Mercedes-Benz, ses bus électriques eCitaro sont munis de batteries tout-solide fabriquées par l'entreprise française Blue Solutions (groupe Bolloré) depuis deux ans. « La première phase d'industrialisation des batteries solides, à horizon 2030, ne concernera qu'une fraction très limitée de véhicules premium », nuance Éric Kirstetter.

F. Robert / Industrie & Technologies

Cap sur l'anode lithium-métal

Pourquoi un tel engouement ? Le premier argument avancé par les industriels concerne la sécurité. « L'idée est de remplacer l'électrolyte liquide – constitué de solvants organiques inflammables –, présent dans la génération lithium-ion actuelle, par un matériau électrolytique solide, non inflammable », résume Olivier Amiel, le directeur du programme Solid state battery du fabricant français de batteries Saft (groupe TotalEnergies). Deuxième avantage évoqué : un gain en termes de poids et de volume à l'échelle du module. « Comme il s'agit d'une technologie plus sûre, il y aura besoin de BMS [systèmes de gestion de la batterie, ndlr] moins complexes et de moins de capteurs pour mesurer la température », avance Denis Pasero, le responsable commercial d'Ilika, fabricant britannique de batteries à électrolyte solide.

La prochaine grande étape technologique dans le domaine des batteries est moins l’électrolyte solide en tant que tel que sa combinaison avec une anode lithium-métal.

—  Kieran O'Regan, consultant chez Benchmark Mineral Intelligence

Cependant, c'est surtout l'espoir de doubler les performances (densité d'énergie, vitesse de charge, autonomie) des véhicules électriques qui stimule la recherche et les investissements des industriels. Avec en ligne de mire la très prometteuse batterie à électrode négative en lithium métallique. « La prochaine grande étape technologique dans le domaine des batteries est moins l'électrolyte solide entant que tel que sa combinaison avec une anode lithium-métal », prévient Kieran O'Regan, consultant chez Benchmark Mineral Intelligence.

F. Robert / Industrie & Technologies

Une batterie au lithium-métal pourrait théoriquement atteindre une densité d'énergie de 430 Wh/kg, contre 290 pour les meilleures au lithium-ion. « À titre d'illustration, une voiture électrique pourrait passer de 500 ou 600 km d'autonomie à 900 ou 1 000 km ! Des ruptures en termes d'application deviennent également possibles », précise Olivier Amiel. Or, pour remplacer l'anode graphite par une électrode négative constituée de lithium métallique, l'accumulateur doit être doté d'un électrolyte solide.

Un casse-tête scientifique

« Le problème avec le Li-métal est que les ions lithium (Li+) forment des excroissances [appelées dendrites, ndlr] en se déposant sur le lithium-métal. Ces dernières progressent jusqu’à toucher l’électrode positive, ce qui crée un court-circuit », explique Benoît Chavillon, spécialiste du prototypage des batteries au CEA-Liten. En théorie, un séparateur sous forme solide devrait parvenir à stopper la progression des dendrites. En pratique, « l’électrolyte solide ralentit le processus, mais l’excroissance finit par le percer », relève Benoît Chavillon. Blue Solutions est la première entreprise au monde à commercialiser une batterie lithium-métal pour de petits marchés de l’électromobilité (voiture en autopartage, bus électrique). Les start-up américaines QuantumScape, Solid Power, Ionic Materials et SolidEnergy Systems et le géant coréen Samsung mettent le cap sur cette technologie de rupture.

Reste que cette électrode de lithium métallique et ses dendrites représentent un casse-tête scientifique. Certains industriels positionnés sur les batteries solides envisagent une autre voie pour gagner en performances : intégrer du silicium dans l’anode graphite. C’est l’option privilégiée par ProLogium. « La capacité de stockage des ions lithium du silicium serait dix fois plus importante que pour le graphite. On passerait de 372 à 3 850 milliampères-heure/gramme, déclare Nicolas Dupré, chercheur à l’Institut des matériaux Jean Rouxel, unité mixte de recherche CNRS - université de Nantes. Le problème, c’est qu’une électrode en silicium va gonfler puis dégonfler de 300%… ce qui crée des fissures dans les matériaux, diverses réactions parasites et affecte le contact électrique avec un électrolyte solide. »

CHETSTRANGE

La start-up américaine Solid Power a opté pour des batteries à électrolyte solide à base de sulfure, une technologie qui intéresse Ford et BMW, entrés à son capital en 2021. © Chet Strange

Du côté de Saft, « les deux voies – lithium-métal et silicium – sont encore à l’étude. Les niveaux de maturité sont encore bas », précise Olivier Amiel. Que l’anode soit en lithium-métal ou silicium, l’un des axes de recherche prioritaire consiste à développer un matériau électrolytique solide fiable. Seuls trois candidats sont en lice – les oxydes, les sulfures et les polymères – pour remplir les deux rôles majeurs de l’électrolyte, à savoir laisser circuler les ions lithium et éviter que les électrodes n’entrent en contact, ce qui provoquerait un court-circuit. Des hybridations (ni pur polymère, ni pur oxyde ni pur sulfure) ou des électrolytes gélifiés (qui intègrent des composants liquides) sont également envisagés. « Les batteries tout-solide désignent une famille de technologies. Elles seront dotées de plusieurs types d’électrolytes, de différentes électrodes… », résume Simon Perraud, le directeur adjoint du CEA-Liten.

La fin du règne du Li-ion ?

Les progrès et les investissements réalisés dans le tout-solide marquent-ils la fin du règne du Li-ion? « En 2030, nous aurons au mieux des prototypes de pur tout-solide à électrode négative lithium-métal. Les batteries tout-solide ne vont pas remplacer les batteries lithium-ion à électrolyte liquide », estime Jean-Marie Tarascon, professeur au Collège de France et médaillé d'or du CNRS. Les acteurs du secteur auraient d'ailleurs peu intérêt à délaisser la technologie lithium-ion, alors qu'ils ont investi des milliards d'euros pour construire des méga-usines de fabrication de batteries à électrolyte liquide à travers le monde. « Même si la technologie tout-solide était disponible, il pourrait y avoir une stratégie de report. Car industrialiser des batteries solides pourrait entrer en concurrence avec les investissements effectués dans les batteries liquides », analyse Éric Kirstetter.

La technologie lithium-ion fait encore l'objet d'améliorations et concentre la majorité des recherches de Batt4EU, un partenariat entre la Commission européenne et des centres de recherche et industriels des batteries réunis au sein de la Batteries european partnership association. « La R&D dans le domaine des batteries lithium-ion – à électrolyte liquide et solide – reste un axe prépondérant dans le cadre de Batt4EU », commente Simon Perraud.