L’Usine Nouvelle. - La start-up Solid Power, soutenue par Ford et BMW, a levé 130 millions de dollars le 3 mai dernier. Fin mars, l’entreprise Quantum Scape annonçait rechercher 830 millions de dollars en bourse pour construire une ligne de production pilote aux côtés de Volkswagen. L’industrialisation des batteries solides est-elle pour bientôt ?
Jean-Marie Tarascon.- Si on refait l’histoire, le souhait de développer la batterie tout-solide date de plus de 40 ans. Les premières batteries du genre ont été fabriquées en format couche mince dans les années 1980, par la société Eveready. Durant les 30 années qui ont suivi, la difficulté a été de développer des batteries massives, telles que nous les produisons aujourd’hui. En 2011, des chercheurs japonais ont publié des recherches sur un électrolyte solide performant, ce qui a relancé le domaine [placé entre l’électrode positive et négative, l’électrolyte sert à les séparer tout en conduisant les ions, ndlr.]. En 2017, Toyota affirmait pouvoir produire des voitures équipées de batteries tout-solide d’ici 2022... Aujourd’hui, il est difficile de trouver un laboratoire de recherche sur les batteries qui ne travaille pas sur le tout-solide. Il y a eu des progrès indéniables, mais en réalité, cette technologie d’accumulateurs reste difficile à concrétiser.
Quels sont les avantages des batteries tout-solide ?
Elles sont plus sûres d'abord car le liquide peut s’enflammer, ou tout simplement fuiter. Par ailleurs, dans le tout-solide, l’utilisation de lithium métallique à l’anode, au lieu d’une structure de feuillets de graphite, permet d’améliorer les densités énergétiques volumique et massique de l'ordre de 40 et de 60 % respectivement. Enfin, la possibilité de configurer de manière bipolaire les cellules augmentera aussi légèrement la densité énergétique de ces systèmes.
Qu’est ce qui bloque leur développement industriel ?
Il y a des annonces régulières, mais on voit toujours des limites non mentionnées. Quantum Scape [une start-up américaine jugée en avance dans le domaine, qui a dévoilé un prototype de batterie solide en décembre 2020, ndlr.], par exemple, a montré qu’elle parvenait à maîtriser une électrode négative en lithium métallique [qui se forme à la charge et disparaît à la décharge, séparée de la cathode par une membrane en céramique solide ndlr.] qui soutient de nombreux cycles. Mais ils n’insistent pas sur le fait qu’à l’électrode positive ils utilisent encore un système classique à électrolyte gel, et de nombreuses incertitudes subsistent sur l’industrialisation de cette technologie. En réalité, nous voyons surtout apparaître des systèmes hybrides, qui n’ont pas les avantages de sécurité des batteries tout solides.
Quels sont les différents types de batteries solides ?
L’exemple idéal, c’est la batterie polymère-lithium-métal du Bluebus de Bolloré. Mais son inconvénient majeur, c’est qu’elle nécessite une température supérieure à 55°C pour fonctionner. Ensuite, il y a des technologies polymère-lithium-ion, dans lesquelles on couple le meilleur des deux mondes. En piégeant l’électrolyte liquide dans un polymère, un gel, il est possible d’avoir des batteries flexibles déjà développées par Bellcore, les batteries Li-ion plastiques. Mais cela reste une solution intermédiaire, alors que le rêve de tout le monde est une batterie réellement tout-solide, sans une goutte d’électrolyte liquide ou polymère ! Il y a un engouement énorme autour de la technologie tout-solide et, pour cette raison, les industriels se retrouvent dans une situation de panique où ils ont peur de rater le train en marche. Ils investissent donc dans des PME telles que Quantum Scape, Ionic Material ou Solid Power qui développent en fait des systèmes hybrides. Cela simplifie la complexité du développement et explique les dates optimistes affichées pour des prototypes avancés.
L’un des problèmes à régler est celui des dendrites, ces excroissances de lithium qui se forment avec les cycles de charge et viennent court-circuiter les batteries…
En effet, c’est le problème à l’anode. On a longtemps cru que c’était un avantage des batteries solides, car avec une barrière physique solide entre les deux pôles, ces dendrites ne devraient pas pousser. Mais en réalité, on note qu’elles peuvent tout de même traverser. Aujourd’hui, les chercheurs ajoutent à l’anode des couches superficielles supplémentaires, des éléments qui vont faire des alliages avec le lithium pour diminuer la croissance des dendrites. Il faut alors s’assurer que la chaleur n’engendrera pas de réactions chimiques, et que ces interfaces resteront stables.
Qui sont les acteurs les plus avancés dans le tout-solide ?
Selon moi, l’avancée la plus intéressante est celle des chercheurs de Samsung, qui ont démontré en 2020 la possibilité de faire une batterie tout-solide sans excès de lithium à l’électrode négative, tout en réalisant plus de 1000 cycles [via un enrobage de l’anode en composite d’argent et de carbone, ndlr.]. Concrètement : l’électrode positive joue le rôle de réservoir de lithium, qui est déposé du côté de l’électrode négative lors de la charge. Globalement, le Japon et la Corée sont en avance avec des firmes comme Toyota et Samsung. Ensuite, on peut citer les Etats-Unis, ou l’Allemagne au niveau européen.
Quand peut-on attendre les premières batteries solides ?
Je pense que les premiers prototypes de batteries purement tout-solide n’arriveront qu’en 2030. Et ce ne seront que des vitrines. Il faudra ensuite passer par toutes les étapes de maturation. En 2030, les batteries lithium-ion devraient atteindre 60 euros du kilowattheure. Jje ne vois pas comment le tout-solide sera compétitif rapidement. Pour abaisser les coûts, il faudra ensuite travailler les procédés, repenser chaque composant, adapter les systèmes de gestion…
Donc se concentrer sur les batteries lithium-ion, comme le prévoit l’Europe via l’installation de plusieurs "gigafactories", est la bonne stratégie ?
Oui. Si on attend le lithium-solide, on prendra 10 ans de retard alors que le lithium-ion restera longtemps la technologie reine. Il me semble que le secteur des batteries tout-solide vit aujourd’hui une période euphorique, portée par l’essor de l’automobile. Mais cela crée des tensions chez les industriels, qui ne savent pas sur quel pied danser, où investir, comment se positionner… On peut faire un parallèle avec le marché d’il y a 7-8 ans : Toyota venait de faire une annonce autour du lithium-air et tout le monde a suivi. Les industriels, les institutions européennes… Mais malgré l’engouement de l’époque, nous n’entendons plus parler du sujet aujourd’hui. Nous sommes en train de répéter l’histoire mais je suis persuadé que le dénouement en sera différent. J’espère a minima que l’enthousiasme actuel, ainsi les efforts colossaux qui sont dédiés donneront lieu à une démonstration de la possibilité intrinsèque de la technologie tout-solide, ce qui ensuite permettra de la faire progresser. Je suis enthousiaste, mais prudent.
