Nouveau procédé de fabrication d'une batterie lithium-métal haute performance
Vers une chaîne de valeur durable et compétitive pour les batteries en Europe
Le consortium Horizon 2020 « SOLiDIFY », composé de 14 partenaires européens, a mis au point une batterie lithium-métal à l'état solide de haute performance. La batterie prototype, fabriquée dans un laboratoire de pointe à EnergyVille, en Belgique, est dotée d'un électrolyte liquide-solide unique, développé conjointement par l'imec, l'Empa et SOLVIONIC. Elle affiche une densité énergétique impressionnante de 1 070 Wh/L, bien supérieure aux 800 Wh/L des batteries lithium ion actuelles. Le processus de fabrication, qui est à la fois rentable et adaptable aux lignes de production de batteries lithium ion existantes, ouvre la voie à des batteries lithium-métal solide commercialement viables pour l'électromobilité.
La nécessité de réduire les émissions de CO2 et de lutter contre le changement climatique a entraîné une forte augmentation du nombre de véhicules électriques. Cependant, la recherche d'une plus grande autonomie et de temps de charge plus rapides met en évidence le besoin permanent de batteries performantes. Aux même temps, il est essentiel de veiller à ce que ces batteries soient rentables, car elles représentent actuellement près de la moitié du prix d'un véhicule électrique. Les matériaux utilisés dans ces batteries jouent donc un rôle clé dans la détermination de leurs performances et de leur prix.
C'est là qu'interviennent les batteries à l'état solide. Ces batteries utilisent un électrolyte solide à travers lequel les ions de lithium circulent pour charger et décharger la batterie, au lieu de l'électrolyte liquide utilisé dans les batteries lithium-ion conventionnelles. Cela présente des avantages potentiels tels qu'une plus grande densité énergétique et une moindre susceptibilité aux incendies. Au niveau des matériaux, la densité énergétique plus élevée de la cellule résulte de l'introduction d'une anode mince en métal de lithium et d'un séparateur à électrolyte solide suffisamment mince. Cependant, le développement d'une architecture rentable pour leur production en masse est resté difficile.
Dans le cadre du projet « SOLiDIFY », le consortium a créé un prototype de batterie à électrolyte solide à base de métal de lithium à haute performance. La cellule, fabriquée dans le laboratoire de batteries de pointe d'EnergyVille à Genk/Belgique, a atteint une densité énergétique élevée de 1 070 Wh/L, contre 800 Wh/L pour les technologies lithium ion d'aujourd'hui. Cette densité énergétique élevée a été obtenue en combinant une cathode épaisse à haute densité énergétique (NMC, contenant du nickel, du manganèse et du cobalt) séparée d'une anode mince en métal de lithium par un séparateur mince à électrolyte solide. Il est important de noter qu'avec un processus de fabrication gérable à température ambiante, adaptable aux lignes de production actuelles de batteries lithium ion et dont le coût devrait être inférieur à 150 euros par kWh, ce processus est prometteur pour un transfert industriel abordable.
Ce résultat a été obtenu grâce à l'évaluation et à l'optimisation minutieuses de nouveaux matériaux et de revêtements avancés, fournis par les partenaires. Pour l'électrolyte du prototype, un nanocomposite solide à base de liquide ionique polymérisé a été utilisé, permettant une approche unique de solidification « du liquide au solide » pour laquelle l'Empa a déposé une demande de brevet. Cette approche a permis de créer un séparateur mince de 20 μm, d'utiliser une cathode épaisse de 100 μm et d'obtenir un empilement compact de cellules de batterie. En outre, le consortium a surmonté les problèmes de résistance mécanique et d'imprégnation de la cathode pour augmenter la vitesse de charge de la cellule à 3 heures et sa durée de vie à 100 cycles. Par rapport à d'autres électrolytes à l'état solide, la cellule thermiquement stable présente une inflammabilité réduite, ce qui améliore la sécurité. L'application de revêtements protecteurs d'une épaisseur nanométrique a permis d'utiliser des cathodes NMC sans cobalt, réduisant ainsi l'impact sur l'environnement tout en offrant une capacité plus élevée.
Les prochaines étapes consisteront à poursuivre la mise à l'échelle de cette technologie de batterie à haute performance.
Publication originale
Chengyin Fu, Gerrit Homann, Rabeb Grissa, Daniel Rentsch, Wengao Zhao, Tom Gouveia, Anaïs Falgayrat, Rongying Lin, Sébastien Fantini, Corsin Battaglia; "A Polymerized‐Ionic‐Liquid‐Based Polymer Electrolyte with High Oxidative Stability for 4 and 5 V Class Solid‐State Lithium Metal Batteries"; Advanced Energy Materials, Volume 12, 2022-4-22
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