L’introduction d’anodes en silicium sera-t-elle le prochain saut technologique dans les batteries lithium-ion? A voir les investissements et les entrées en bourse qui se succèdent, les constructeurs automobiles y croient. Le 4 mai, le géant allemand Porsche menait un tour d’investissement à hauteur de 400 millions de dollars (près de 385 millions d’euros) pour permettre à la start-up américaine Group14 d’industrialiser son produit. Une semaine après, la pépite Amprius Technologies – qui développe une technologie similaire – annonçait sa future entrée à la bourse de New York, via un Spac estimé à 900 millions d’euros…
Le 17 mai enfin, la start-up américaine Sila Technologies – dont la dernière levée de fonds a atteint 590 millions de dollars en janvier 2021 – annonçait collaborer avec Mercedes pour équiper son futur 4x4 électrique, peu après avoir dévoilé un projet d’usine de 55 000 mètres carrés dont la production doit débuter en 2024 dans l'État de Washington aux Etats-Unis. Une succession d’annonces qui traduit l’effervescence du secteur, porté par le boom du véhicule électrique comme par la montée en maturité de cette technologie. Celle-ci promet de booster de 50% la densité des batteries lithium-ion et d’améliorer la vitesse de charge sans transformer l’appareil industriel.
Dix fois plus d’énergie dans la batterie
Les batteries lithium-ion sont aujourd'hui omniprésentes, dans l'électromobilité comme l'électronique, en raison de leur capacité à contenir beaucoup d’énergie (la densité énergétique) et grâce à une baisse constante de leurs coûts de production. Dans ces dispositifs électrochimiques, la présence de métaux critiques comme le nickel et le cobalt au niveau des électrodes positives (cathodes) a souvent concentré les efforts et l’attention des industriels. Mais pour augmenter leurs performances, les anodes – il s'agit des électrodes négatives, qui libèrent des électrons lorsque la batterie se décharge – sont elles aussi cruciales.
Aujourd’hui, elles sont composées de graphite, naturel ou synthétique. Mais ces matériaux sont en tension en raison du boom du véhicule électrique. Le silicium offre d’importants gains de performance. « L’enjeu autour des batteries lithium-ion est notamment d’en améliorer l’autonomie pour améliorer le véhicule électrique, donc d’en augmenter les densités massique et volumique », détaille Cédric Haon, chercheur en sciences des matériaux au CEA-Liten, à Grenoble, qui travaille sur le développement de matériaux silicium pour remplacer le graphite dans les batteries depuis dix ans.
« L’un des moyens à disposition est d’augmenter la capacité spécifique des matériaux d’anode : le graphite affiche 372 milliampères-heures par gramme, contre 3 579 pour le silicium. Cela signifie que le silicium peut stocker 10 fois plus de lithium [le vecteur de transport de l’énergie au sein d’une batterie, ndlr], donc d’augmenter l’autonomie de la batterie de 20 à 50% ! » Autre avantage : les électrodes deviennent moins épaisses et, en conséquence, peuvent se charger plus vite.
Le silicium, tel un jaune d'œuf dans sa coquille
Des performances qui suscitent l’appétit des utilisateurs, alors que les batteries dites « tout solide », souvent considérées comme l’étape d’après, ne sont pas encore matures. « Construire des anodes 100% en silicium ne serait pas utile : la densité d’énergie augmente déjà significativement avec un tiers de silicium et beaucoup de travaux combinent ce dernier avec des matériaux carbonés », décrit Cédric Haon, qui pointe que plusieurs constructeurs intègrent déjà « quelques pourcents » de silicium sous forme d’oxyde dans leurs anodes en graphite.
Pourquoi une intégration si progressive? Car, à la différence du graphite, dont la structure en feuillet permet d’accueillir facilement les ions lithium qui se pressent à l’anode lors de la charge, le silicium se transforme au contact de ces derniers. « Le silicium forme un alliage amorphe avec le lithium et change de volume, avec un gonflement de l’ordre de 300%, explique Cédric Haon. Cela entraîne des variations d’épaisseur et des dégradations qui peuvent rapidement faire chuter la durée de vie. »
Sur leurs paillasses, les chercheurs multiplient les structures astucieuses et les alliages pour permettre au silicium de gonfler sans dégradation, et à l’abri des attaques de l’électrolyte. « Cela passe souvent par le développement de nanostructures complexes, narre Cédric Haon. Le professeur Cui à Stanford, qui est l’un des fondateurs d’Amprius, a développé une structure en œuf, dont la coquille est en carbone et le jaune est le silicium, qui peut gonfler tout en étant protégé de l’électrolyte.» Une stratégie similaire à celle de Group14 et de Sila Technologies, qui développent tous les deux des matériaux nanostructurés en carbone pour contenir le silicium. En France, la start-up Nanomakers, spécialiste des nanoparticules de silicium par pyrolyse laser, travaille avec le CEA et d’autres partenaires au sein du projet européen Spider sur le sujet.
Un passage à l'usine pas encore garanti
Attention néanmoins à ne pas prendre pour acquis le passage du laboratoire à l’industrie, une étape critique et souvent brutale envers les plans des start-up. « Les fabricants de batteries parlent depuis longtemps d’intégrer du silicium, mais leurs feuilles de route ont eu tendance à glisser dans le temps », tempère l’expert du CEA en pointant la « stratégie de communication agressive des start-up », quitte à décevoir. Comme l’avait fait la pépite américaine Envia, qui avait un temps intéressé le géant automobile GM en… 2013. De même Tesla, qui selon le site Electrek a discrètement racheté la start-up Sillion, parle de cette technologie depuis 2020 sans que celle-ci n’ait encore trouvé sa place dans ses voitures. Et de nombreux grands groupes industriels asiatiques, comme Hitachi, Nissan et LG Chem, semblent pour l’instant se contenter de déposer des brevets sur le sujet…
Mais les annonces continuent de se multiplier. Fin novembre : la start-up britannique Nexeon annonçait son partenariat renforcé avec la coentreprise de Toyota et Panasonic (PPES) en vue de la commercialisation de batteries au silicium. La pépite a depuis levé 80 millions de dollars (à peu près 76 millions d’euros). Fin décembre, c'était au tour du coréen Samsung de présenter sa nouvelle marque de batteries haute performance Primx, dotée d’une anode en silicium. Sans fournir de détails quant à la feuille de route de production et de commercialisation.
« Souvent, le développement des cellules à haute densité d’énergie passe par d’autres applications que l’électromobilité, comme l’électronique portable, pour laquelle la durée de vie est moins importante », note Cédric Haon. Une stratégie qui semble être celle de la pépite américaine Sila Technologies, dont les batteries sont produites et commercialisées depuis septembre 2021 pour des appareils grand public, comme le bracelet connecté de suivi d’activité Whoop. Déjà omniprésent dans les processeurs informatiques et les panneaux solaires, le silicium pourrait bientôt ajouter les batteries à son tableau de chasse.
