Pourquoi la technologie tout-solide ?
L’enjeu du tout-solide est à la fois économique et environnemental.
L’utilisation de solvants génère des coûts de retraitement du fait de leur toxicité, et nécessite une étape supplémentaire de séchage. Quant à l’électrolyte solide, il présenterait une meilleure sécurité (plus stable et moins inflammable) et permettrait l’utilisation d’une électrode négative de lithium métallique offrant des densités énergétiques plus élevées.
Le processus de fabrication
1- Le choix et la composition des matériaux
Recours à des poudres commerciales ou synthétisées. © P. Avavian / CEA
Les électrodes positive et négative des accumulateurs tout-solide sont composées d’un mélange de matériaux actifs (réservoir ou structure hôte des ions lithium), de conducteurs électroniques et de liants pour la mise en forme. De plus, l’électrolyte solide doit être contenu dans les électrodes dès l’étape de formulation des matériaux. Dans les batteries tout-solide, la formulation des matériaux d’électrodes doit donc être repensée pour contenir l’électrolyte solide.
2 – La conception et mise en forme des électrodes
Laminage (amincissement de la couche de matériaux actifs déposés sur le feuillard de l’électrode) et colaminage d’électrodes extrudées à l’échelle laboratoire. © J. Penelon / CEA
Contrairement aux électrodes des batteries lithium-ion fabriquées historiquement par enduction, avec le dépôt d’une couche d’encre composée à 50 % de solvant, la technologie tout-solide nécessite de développer des procédés sans solvant. Les électrodes et l’électrolyte peuvent être mis en forme par extrusion (mélange thermomécanique en continu de matériaux) puis laminage (amincissement) pour obtenir l’épaisseur souhaitée, ou par pressage à chaud. Pour l’électrode négative, les chercheurs misent aussi sur du lithium métallique afin d’augmenter la densité d’énergie. Il reste toutefois à travailler sur la mise en forme très délicate de ces feuillards métalliques particulièrement collants, et à résoudre les problèmes en matière de sécurité.
3 - La réalisation de l'électrolyte solide
Mise en forme après extrusion de membranes électrolytes hybrides
© J. Penelon / CEA
Dans une batterie classique, l’électrolyte est liquide ; une membrane est donc ajoutée pour que les électrodes ne soient pas en contact. L’électrolyte solide est un double constituant : en plus de comporter des ions lithium mobiles, il joue aussi le rôle d’isolant. Il prend la forme d’une pastille, fabriquée à partir d’un mélange de poudres à sec. Mais un solide conduit moins bien qu’un liquide, les ions s’y diffusent moins vite. Plusieurs familles de matériaux sont testées : les polymères, flexibles mais mauvais conducteurs ; les céramiques, oxydes et sulfures, meilleurs conducteurs mais plus difficiles à mettre en œuvre (une poudre d’oxydes comprimée est très cassante et ne peut être pliée). Des solutions hybrides polymères-céramiques sont aussi envisagées.
Qu’est-ce qu’une gigafactory ?
La mention giga est relative à la quantité de « watt heure » que ces très grandes usines (factory) sont capables de produire par an : de l’ordre de 8 à 48 GWh. À quoi correspondent ces capacités de production ? Le pack batterie d’une voiture électrique compte des centaines d’accumulateurs. La densité d’énergie moyenne d’un pack est d’environ 50 kWh (dépendant du modèle). Pour déployer 25 millions de véhicules par an, ce sont 50 x 25.106 kWh d’accumulateurs qu’il faut produire, c’est-à-dire 1250 GWh (ou 1,25 TWh). Plusieurs gigafactory existent aux Etats-Unis (celle de Tesla étant pionnière), en Chine et en Europe (dont ACC, entreprise créée par Total, Saft et PSA, partenaires du CEA).