Une spin-off ouvre une nouvelle frontière pour les batteries

Le Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), un centre d'innovation énergétique dirigé par l'Argonne National Laboratory du ministère américain de l'énergie (DOE), a reconnu ce dilemme lors de son lancement en 2012. Le JCESR rassemble plus de 150 chercheurs de 20 institutions - dont des laboratoires nationaux, des universités et des entreprises - afin de fabriquer des matériaux permettant de créer des batteries révolutionnaires.

"Le JCESR crée et prouve les idées qui finissent par être commercialisées", explique George Crabtree, directeur du JCESR et scientifique principal à Argonne. Il s'agit d'idées plus risquées qu'aucun investisseur ne financerait - et que les entreprises sont peu susceptibles de poursuivre - parce que le résultat est si incertain. Si elles sont prouvées, ces idées peuvent entraîner les progrès rapides dont nous avons besoin en matière de changement climatique."

La trajectoire réussie de l'entreprise dérivée du JCESR, Blue Current, témoigne de la sagesse de cette approche. En 2015, l'un des laboratoires du JCESR a découvert un nouveau matériau de batterie prometteur, appelé "composite", qui peut rendre les batteries beaucoup plus sûres. Inspiré par le potentiel du composite, Blue Current l'a développé davantage. Aujourd'hui, Blue Current accélère la production de ses cellules de batterie. De plus, une branche de Koch Industries a investi 30 millions de dollars dans l'entreprise pour construire sa première usine pilote de mégawatts à Hayward, en Californie.

La sécurité au cœur des préoccupations dès le départ

La sécurité est un aspect important des batteries. Lorsque les batteries sont chargées et déchargées, des substances appelées électrolytes transportent la charge entre les électrodes positive et négative. Les électrolytes liquides présents dans de nombreuses batteries lithium-ion commerciales sont inflammables.

Depuis sa création, la priorité absolue de Blue Current a été de développer une batterie totalement sûre. En même temps, elle s'est efforcée d'éviter les compromis de conception liés à la sécurité que d'autres sociétés de batteries ont faits. Son principal marché cible est celui des véhicules électriques (VE).

"Contribuer à la transition vers une énergie durable fait partie de notre mission principale, et les VE constituent la meilleure plateforme pour y parvenir", a déclaré Kevin Wujcik, directeur de la technologie de Blue Current. M. Wujcik faisait partie de l'équipe de recherche du JCESR qui a découvert le matériau composite. À l'époque, il poursuivait ses études de doctorat à l'université de Californie, à Berkeley.

Le développement de batteries pour les VE est particulièrement difficile car il faut répondre à de nombreux besoins à la fois. Une batterie pour VE doit être à la fois un marathonien et un sprinter", explique M. Wujcik. Elle doit avoir une très grande autonomie et fonctionner pendant longtemps. Mais elle doit également être capable de se recharger très rapidement. Et elle doit bien fonctionner à des températures basses et élevées."

Deux chercheurs en batteries de renommée internationale ont fondé Blue Current en 2014. Nitash Balsara est un scientifique du JCESR, un professeur d'ingénierie chimique à l'Université de Californie, Berkeley et un scientifique senior de la faculté du Lawrence Berkeley National Laboratory. Joseph DeSimone, qui était professeur de chimie à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill en 2014, est aujourd'hui professeur d'ingénierie chimique à Stanford.

Un pivot précoce

Les batteries à l'état solide, qui contiennent des électrolytes solides, sont beaucoup moins inflammables que les batteries liquides. C'est pourquoi de nombreux développeurs de batteries considèrent les technologies à l'état solide comme la clé du développement de batteries totalement sûres. Mais les électrolytes solides sont confrontés à de nombreux défis techniques, et aucune entreprise n'a réussi à commercialiser une batterie à l'état solide à ce jour.

Une catégorie de solides cristallins connus sous le nom de vitrocéramiques présente une bonne conductivité, c'est-à-dire la capacité de déplacer rapidement les ions de lithium. Mais ils n'ont pas la capacité d'adhérer aux matériaux chimiquement actifs des électrodes de batterie qui stockent les ions de lithium.

Une autre catégorie de matériaux connus sous le nom de polymères - de grandes molécules avec des unités chimiques répétées - sont efficaces pour adhérer aux électrodes. Mais leur conductivité est faible.

Au départ, Blue Current s'est concentré sur le développement d'une cellule de batterie avec un électrolyte liquide ininflammable. Puis, en 2015, dans le cadre de recherches parrainées par le JCESR, le laboratoire de Balsara a fait une découverte révolutionnaire qui s'est avérée être un événement formateur clé pour Blue Current. Le laboratoire a remédié aux lacunes des vitrocéramiques et des polymères en les liant ensemble. L'électrolyte solide composite ainsi obtenu a démontré une bonne conductivité et une bonne adhérence. Reconnaissant le potentiel du composite pour relever les principaux défis des batteries à l'état solide, Blue Current a pivoté vers le domaine de l'état solide en 2016.

"En combinant ces matériaux, la découverte du JCESR a résolu les défis auxquels chaque matériau était confronté seul", a déclaré Wujcik. "Nous avons décidé que l'utilisation de composites était le meilleur moyen de fabriquer la batterie la plus sûre possible".

"Mettre la science au point"

Au départ, l'anode (électrode négative) de la cellule de la batterie de Blue Current était constituée de lithium métal. Puis, en 2018, l'entreprise a décidé d'utiliser du silicium comme matériau anodique chimiquement actif. L'une des raisons de ce changement était la sécurité : Le lithium métal est très réactif et inflammable, même dans les batteries à l'état solide.

Depuis 2018, l'entreprise a affiné ses électrolytes composites, son anode en silicium et d'autres matériaux de batterie, dans le but de résoudre les défis techniques de la technologie à l'état solide.

"Nous nous sommes concentrés sur la mise au point de la science", a déclaré Wujcik.

L'un des défis de la technologie des semi-conducteurs concerne la quantité de pression nécessaire pour obtenir de bonnes performances de la batterie. Pour aider les électrolytes solides à adhérer aux électrodes, certaines entreprises ajoutent des plaques et des boulons en métal lourd qui soumettent les cellules de la batterie à une pression élevée. Ces dispositifs augmentent les coûts de fabrication tout en réduisant la densité énergétique - la quantité d'énergie pouvant être stockée dans les batteries par unité de poids ou de volume. Une densité d'énergie plus faible dans les batteries des VE se traduit par une autonomie plus courte, à moins que le fabricant n'augmente la taille et le poids des batteries. Une autonomie plus courte a tendance à rendre les VE moins attrayants pour les consommateurs.

La vision de Blue Current a été d'utiliser l'adhésivité et l'élasticité de son électrolyte composite pour réduire la pression nécessaire au fonctionnement des cellules. Le composite est capable de maintenir un bon contact avec les particules de silicium dans l'anode, sans utiliser de lourdes plaques métalliques. C'est un résultat impressionnant : Le silicium se dilate et se contracte lorsqu'une cellule de batterie se charge et se décharge, ce qui rend particulièrement difficile le maintien du contact avec les électrolytes solides.

Un deuxième défi que Blue Current a relevé concerne la température. Les électrolytes polymères ayant une faible conductivité, de nombreux développeurs de batteries à l'état solide utilisent des éléments chauffants pour augmenter la température des cellules. Si la chaleur améliore la conductivité des polymères, elle nécessite de l'énergie, ce qui réduit la rentabilité de la batterie. Par conséquent, cette approche n'est pas viable pour de nombreuses applications commerciales. Aujourd'hui, la haute conductivité des électrolytes composites de Blue Current permet à ses cellules de fonctionner efficacement à température ambiante.

Les développeurs de piles à l'état solide ont souvent du mal à concevoir des processus de fabrication rentables et à grande échelle. Par exemple, les piles à l'état solide dotées d'anodes en lithium métal nécessitent un équipement de fabrication spécialisé pour éviter la formation de dendrites pendant le fonctionnement de la pile. Les dendrites sont des structures de lithium en forme d'aiguille qui rendent les piles moins sûres et moins durables.

Blue Current a surmonté cet obstacle en sélectionnant des matériaux d'anode en silicium abordables et abondants. De plus, elle a conçu ses composants de manière à ce qu'ils puissent être traités avec les mêmes équipements que ceux utilisés aujourd'hui par les fabricants de batteries lithium-ion à grand volume.

Les cellules de Blue Current ont démontré d'excellentes performances. Dans le cadre de tests de sécurité rigoureux, la société a soumis ses cellules à des conditions difficiles que les VE pourraient rencontrer dans le monde réel, notamment l'écrasement, la perforation et la surcharge. L'emballement thermique - un phénomène de surchauffe des batteries qui peut provoquer des incendies - ne s'est jamais produit.

"Si vous éliminez l'emballement thermique, vous rendez la batterie beaucoup plus sûre", a déclaré M. Crabtree du JCESR. C'est particulièrement important pour les véhicules électriques. Les batteries sont situées sous les sièges des passagers."

Lors d'autres tests récents, les cellules de Blue Current ont conservé 85 % de leur capacité énergétique après plus de 1 000 cycles de charge-décharge, soit l'équivalent de centaines de milliers de kilomètres parcourus. C'est un signe prometteur que les cellules dureront longtemps. Selon une règle empirique de l'industrie des VE, une rétention de 80 % de la capacité est excellente.

La voie à suivre

Blue Current est en train d'équiper son usine pilote de Hayward d'un matériel de production en grande série. Lorsqu'elle sera terminée en 2023, l'usine aura une capacité de production annuelle de 1 à 2 mégawattheures. Elle y développera les spécifications pour la fabrication de volumes encore plus importants. L'usine va jeter les bases de la prochaine installation", a déclaré M. Wujcik.

Blue Current prévoit également de rester concentrée sur la recherche et le développement. Nous constatons que l'industrie des batteries s'oriente vers l'utilisation d'anodes en silicium pour améliorer les performances des batteries lithium-ion traditionnelles et des batteries à l'état solide de la prochaine génération ", a déclaré M. Wujcik. "Comme le domaine du silicium à l'état solide n'en est encore qu'à ses débuts, il est essentiel pour nous de poursuivre nos efforts de développement de nouveaux matériaux."

En effet, le succès de Blue Current dans le domaine des batteries au silicium à l'état solide ouvre un nouveau champ à explorer pour les chercheurs et les autres entreprises. "Il y a beaucoup de travail qui peut être fait dans cet espace", a déclaré Wujcik. "Les chercheurs peuvent étudier quels électrolytes solides et quels matériaux en silicium utiliser et comment les électrolytes composites adhèrent aux matériaux anodiques."

M. Wujcik s'est félicité du rôle important joué par le JCSER dans la réussite de Blue Current.

"L'idée d'utiliser des composites dans les batteries était nouvelle et non prouvée avant le programme du JCESR", a-t-il déclaré. Le JCESR a consacré des ressources aux composites parce que ces matériaux avaient le potentiel de répondre à un besoin du marché en matière de batteries sûres et solides, tout en résolvant d'importants défis techniques. En prouvant l'efficacité de ces matériaux, le JCESR nous a permis d'aller beaucoup plus facilement de l'avant avec cette technologie."