Entre la fin des années 1990 et 2012, une dizaine de petits satellites étaient lancés chaque année; la prochaine prévision sur six ans est de plus de 3 000. Le secteur spatial européen a une chance d'acquérir une position mondiale de premier plan, aidé par le bon système de stockage d'énergie.

Le secteur des petits satellites (nanosatellites) est en croissance, portée par une miniaturisation accrue, standardisation et réduction des coûts. Cependant, Le stockage d'énergie efficace et fiable est crucial pour son succès, en offrant des performances élevées pour un large éventail d'applications.

Le projet MONBASA, financé par l'UE, a pour objectif de développer une solution de stockage d'énergie; conforme aux normes et réglementations en vigueur, fiable, à haute efficacité énergétique, tout en restant léger et compact. Les chercheurs ont conçu de nouveaux composants à couche mince, crucial pour la prochaine génération de batteries rechargeables Li-ion tout solide haute tension.

Garantir les normes de sécurité, robustesse, densité d'énergie, compatibilité sous vide, résistance aux radiations et fenêtre de température de fonctionnement, rend les batteries idéales pour les applications spatiales, ainsi que d'autres tels que l'Internet des objets (IoT).

Surperformer l'état actuel des choses

Alors que les nanosatellites sont devenus très populaires, avec un nombre de développeurs et de projets en constante augmentation, Le point de départ de MONBASA était que des solutions innovantes de stockage d'énergie pourraient stimuler encore plus le secteur.

L'équipe a d'abord développé une batterie à l'état solide basée sur un couple d'électrodes haute tension et des électrolytes solides en céramique, avec des conductivités ioniques beaucoup plus élevées que les électrolytes solides commerciaux. L'intégration de l'électrolyte solide devant être réalisée pour la construction d'une cellule pleine fonctionnelle, obtenir le bon contact entre la cathode et l'électrolyte, était critique. Pour analyser complètement les propriétés physiques et chimiques des interfaces de la batterie, les outils d'analyse les plus avancés ont été utilisés.

L'étape suivante consistait à étudier l'intégration de la batterie avec des capteurs satellitaires de pointe tels que les systèmes microélectromécaniques (MEMS), une technologie cruciale pour les capteurs et les actionneurs des satellites avancés. La solution a été testée et validée dans des conditions de type spatial.

« Nous avons adopté des procédés de traitement issus de l'industrie de la microélectronique et du verre technologique, compatibles avec la fabrication de nanosatellites. Ceux-ci étaient cruciaux pour obtenir des composants de batterie Li-ion à couche mince de haute qualité qui surpassaient les composants commerciaux actuels, ", explique le coordinateur du projet, le Dr Miguel Ángel Muñoz.

MONBASA a démontré que les électrodes à couche mince testées contre des électrolytes liquides commerciaux peuvent avoir une durée de vie supérieure d'un ordre de grandeur à celle des électrodes commerciales conventionnelles. En pratique, cela signifie que les cellules Li-ion actuelles pourraient être augmentées en changeant uniquement les électrodes.

Théoriquement, l'électrolyte liquide ne doit pas être stable aux hautes tensions délivrées par la cathode MONBASA. Cependant, la cellule couche mince a conservé plus de 80 % de sa capacité initiale pendant plus de 2 000 cycles, à des taux de courant élevés et après intégration de l'électrolyte solide, stable aux hautes tensions, les performances de la cellule seront encore plus élevées.

Le projet a également constaté que la méthode de traitement MONBASA pour l'électrode négative, testé contre un électrolyte solide de référence du commerce à seulement 45 °C, égalé les performances des cellules conventionnelles fonctionnant à 70 °C.

Comme le résume le Dr Muñoz, « Les batteries tout solide MONBASA ont le potentiel de surmonter les défis auxquels le secteur spatial est actuellement confronté avec les batteries Li-ion disponibles dans le commerce. » Il précise :« Les composants de batterie à durée de vie plus longue entraîneront moins de pannes et donc une durée de vie plus longue des satellites. Des batteries haute tension à couche mince de plus petite taille permettront des satellites plus petits, réduire les risques de collision. Et une fenêtre de température plus large, améliorera la sécurité et les performances dans des conditions extrêmes."

Assurer et étendre les services critiques

Dans sa Stratégie spatiale pour l'Europe, la Commission européenne a souligné l'importance des données et technologies spatiales innovantes, pour des services indispensables dans la vie quotidienne des citoyens européens. Les petits satellites sont particulièrement utiles pour les nouvelles applications car ils sont relativement peu coûteux à construire et à lancer, offrant des opportunités dans une gamme de marchés cibles, comme les télécommunications, agriculture, transports et environnement.

Ces services aident à protéger et à gérer les infrastructures critiques, renforcer la compétitivité économique, gérer les ressources pour une population croissante et lutter contre les pressions du changement climatique. "Au-delà des satellites spatiaux, les résultats du projet présentent un intérêt pour d'autres applications telles que l'alimentation de capteurs autonomes pour l'IoT et les appareils portables tels que la surveillance de la santé."

Mais le Dr Muñoz fait remarquer, « Les efforts futurs devront porter sur l'optimisation des interfaces permettant l'intégration d'une cathode à couche mince avec un électrolyte à couche mince. En parallèle, la fabrication des composants à l'échelle supérieure doit être prioritaire."