Diminuer l’énergie, l’empreinte au sol et les solvants requis pour produire des accumulateurs lithium-ion, via une méthode bien plus simple. Les promesses de l’enduction en voie sèche (ou dry coating en anglais), c’est-à-dire la production d’électrodes de batteries directement à partir de poudres, sans passer par un liant sous forme pâteuse, sont séduisantes. Surtout si l’on prend en compte l’explosion prévue du marché du stockage électrochimique porté par l’électrification des mobilités.
Rien d’étonnant, dès lors, à l’enthousiasme de l’Institut Fraunhofer pour les matériaux et les technologies laser (IWS), basé à Dresde, qui a annoncé début septembre le succès de DryProTex. Un projet de recherche débuté en 2017 pour démontrer la possibilité de produire divers types d’électrodes via cette technologie. De quoi proposer une alternative « respectueuse de l’environnement, rentable, et utilisable à large échelle » ayant « le potentiel de révolutionner la production d’électrodes de batteries », note sobrement l’institut allemand dans son communiqué de presse.
Sans solvants ni séchage
Véritable cœur des batteries, les électrodes transportent les électrons et abritent les réactions chimiques qui permettent la charge et la décharge des cellules. Selon leur rôle dans la batterie (négative ou positive) et le type d’accumulateur, elles peuvent être composées d’une grande diversité de matériaux actifs, déposés en fine couche sur une feuille de métal conductrice. C’est par exemple pour les cathodes que les fabricants de batteries utilisent du cobalt, dont les conditions d’extraction sont régulièrement critiquées.
Fraunhofer IWS Dresden En utilisant directement les poudres de matériaux actifs sans passer par une étape liquide, la cuisine des électrodes est simplifiée et écourtée (Crédit : Fraunhofer IWS Dresde)
Seul problème : le procédé de fabrication couramment utilisé aujourd'hui est lent, consommateur d’espace et énergivore, explique l’IWS. Dans les faits, le mélange de matériaux actifs est déposé sous forme de pâte liquide sur une très fine feuille de métal, via un procédé de traitement de surface appelé enduction. Une méthode qui nécessite d’importantes quantités de solvants chimiques pour transformer, au sein de mixeurs ou dans certains cas de machines d’extrusion, les matériaux en poudre en solutions liquides. Mais qui fait aussi appel à « de très grosses machines, avec de long chemins de séchage nécessaires pour l’évaporation du solvant », décrit Benjamin Schumm, responsable des technologies d’enrobage chimique au Fraunhofer IWS. Une cuisine peu optimale.
Plusieurs pilotes en discussion
D’où l’intérêt, déjà ancien, des industriels et de la recherche pour les méthodes d’enduction directement à partir des poudres, sans solvant ni séchage. Et ce, via un procédé d’enduction en voie sèche assez proche d’une opération de pâtisserie high-tech, permettant de former une fine couche d’un mélange de matériaux sans passer par une étape liquide.
Pour cela, les chercheurs allemands peaufinent depuis plusieurs années un matériau liant spécial, permettant de réaliser une mixture sèche et homogène des matériaux actifs. Cette dernière est ensuite introduite dans une machine de calandrage, dont les deux cylindres roulant dans des directions opposées permettent de former un film fin, ensuite déposé sur la feuille métallique de l’électrode en devenir au moyen d'un autre appareil similaire.
Baptisée DRYtraec, la solution des ingénieurs allemands permettrait donc aux industriels de se passer des solvants et des machines de séchage, mais aussi « d'accélérer la production et utiliser seulement un tiers de l’empreinte au sol prise par les solutions conventionnelles », vante le Fraunhofer IWS. Qui précise que des discussions sont en cours avec plusieurs industriels de l’automobile et des batteries pour débuter la construction de pilotes.
Concurrence de Tesla
Pour passer des prototypes réalisés par le Fraunhofer à la production industrielle de masse, un certain nombre de verrous techniques et d’étapes de qualifications devront encore être surmontés, notamment pour assurer l’uniformité des électrodes ainsi produites. Une tâche sur laquelle l’institut allemand ne sera pas seul. L’enduction en voie sèche, « ce n’est pas vraiment nouveau, tout le monde fait des recherches sur ce sujet », expliquait Christophe Pillot, directeur d’Avicenne Energy et spécialiste des batteries dans un article d'Industrie & Technologies résumant les annonces de Tesla lors de son Battery Day en septembre 2020.
Ce jour-là, le constructeur de véhicules électriques avait annoncé s’intéresser à cette technologie, donnant des nouvelles de son acquisition, en 2019, de l’entreprise de super-condensateurs Maxwell Technologies. L'opération, à hauteur de 288 millions de dollars, lui avait surtout permis d'acquérir la technologie d’enduction en voie sèche de la pépite, conservée par Tesla lors de la revente de Maxwell en juillet 2021 selon la presse spécialisée. En septembre 2020, Elon Musk affirmait alors être « proche » de l'utilisation industrielle de l'enduction en voie sèche, tout en reconnaissant qu’il « [restait] beaucoup de travail avant de maîtriser ce procédé ».
