Emmené par des rouleaux, le film d’aluminium glisse doucement. L’encre noire qui s’y dépose est un matériau d’électrode positive de batterie. Du nickel-manganèse-cobalt (NMC) ? « Non », dit en souriant Anthony Bonnet. Du lithium-fer-phosphate (LFP) alors ? « Non plus, poursuit le directeur scientifique chargé des matériaux pour l’énergie chez Arkema. C’est très innovant et confidentiel. » Nous n’en saurons pas plus, si ce n’est qu’il s’agit d’un matériau obtenu par un procédé aqueux.
Réalisé par des partenaires, le test a lieu sur la ligne pilote du Centre de recherche Rhône-Alpes (CRRA) du groupe à Pierre-Bénite, au sud de Lyon. « Les batteries sont devenues l’un des plus gros marchés d’Arkema », pointe Anthony Bonnet. Alors, forcément, la R&D suit. « Depuis trois ans, nos investissements dans les batteries augmentent et nous avons quintuplé les ressources travaillant sur le sujet », précise Philippe Bonnet, le directeur du CRRA. Aussi bien pour améliorer les batteries lithium-ion actuelles que pour travailler sur les batteries tout-solide, au sodium ou au lithium-soufre. Après le lancement du projet en 2019 et l’installation en 2020, la ligne pilote a été inaugurée en 2021.
Sels d’électrolyte à base de LiFSI
Assise à son poste, une technicienne assemble une pile bouton. Autour d’elle, plusieurs paillasses sont dédiées à la préparation des encres, au calandrage, aux tests de conductivité, de rhéologie, d’adhérence des matériaux sur les électrodes… « C’est ici que nous préparons des batteries avec nos sels d’électrolyte à base de LiFSI [lithium bis(fluorosulfonyl)imide, ndlr] ou nos liants pour les électrodes positives ou négatives à forte teneur en silicium », explique Anthony Bonnet. Le LiFSI peut servir aux batteries à électrode positive en NMC ou LFP, mais aussi à celles en nickel-manganèse-oxyde (NMO).
« C’est une piste naissante et prometteuse », assure le directeur scientifique. Sans cobalt, elles permettent d’atteindre de fortes tensions – 4,9 volts, contre 4,3 pour le NMC et 3,7 pour le LFP – synonymes de performances accrues. Le problème est que l’électrolyte stable et compatible avec de telles tensions n’existe pas encore. « La pureté de notre sel de LiFSI devrait résoudre bon nombre de problèmes », avance Anthony Bonnet. En mai, Arkema a annoncé un partenariat avec le japonais Nippon Shokubai pour industrialiser sa production d’ici à 2025 à Pierre-Bénite.
Arkema Formant les électrodes après enduction, les encres et leurs ingrédients sont au cœur des travaux d’Arkema. © Arkema
Tests en atmosphère contrôlée
Autre piste explorée, côté électrode négative : permettre l’incorporation de silicium. Arkema travaille sur des liants qui limitent ou suivent les gonflements et contractions du silicium lors des cycles de charge et décharge. « Nous sommes au stade du développement et nous nous focalisons sur des taux de 10 à 15 % de silicium », détaille Anthony Bonnet. De quoi espérer doubler la capacité de stockage. « Nous développons aussi des solutions pour des taux plus élevés », ajoute-t-il.
Dans la pièce, un bourdonnement permanent oblige à tendre l’oreille pour entendre les explications. « C’est le système d’aspiration de la ligne pilote et de séchage de la salle », indique Anthony Bonnet. Beaucoup de matériaux de batteries sont sensibles à l’humidité. L’atmosphère est donc contrôlée. Un écran signale qu’il faudrait descendre en dessous de - 47 °C pour qu’apparaisse une première goutte de condensation. Afin d’éviter que les vapeurs de solvant ou d’eau ne s’échappent lors du séchage de l’encre d’enduction, une aspiration chapeaute les deux fours successifs. Les vapeurs aspirées sont filtrées à l’extérieur.
Une autre voie d’amélioration du lithium-ion se joue au niveau du procédé. L’idée est de se passer de solvants, en utilisant soit des procédés aqueux, soit des procédés secs. « C’est une demande claire en provenance du marché », affirme Anthony Bonnet. Cela nécessite d’adapter le polyfluorure de vinylidène (PVDF), employé historiquement comme liant pour les matériaux d’électrode positive et comme revêtement sur le séparateur. « Nous cherchons également à l’adapter à chaque matière active et à limiter la quantité utilisée », témoigne le directeur scientifique.
Les travaux sur les procédés aqueux se font aujourd’hui sur la ligne pilote. Mais ils disposeront bientôt d’une ligne dédiée. « Les équipements arrivent en septembre pour une mise en service d’ici à la fin de l’année », se félicite Anthony Bonnet. Quant aux travaux sur les procédés en voie sèche, ils se font plutôt en Normandie. Avec le lithium-ion, les chimistes ont de quoi s’occuper pendant encore quelques années.
