Plus écologique, moins cher, avec une plus grande capacité de stockage et une durée de vie accrue :de nombreuses exigences sont posées à la batterie du futur. Une équipe de chercheurs espagnols utilise la technologie laser pour concevoir la prochaine génération de batteries.

Les batteries plomb-acide vétérans, qui ont bien fonctionné pendant environ un siècle à faible coût, semblent incapables de se permettre une capacité de stockage suffisante pour les besoins de notre époque. Certainement, ils n'ont pas été conçus pour les voitures électriques. D'autres tentatives comme Ni-Cd (nickel cadmium) ou Ni-MH (nickel métal hydrure) se sont avérées trop faibles pour pousser un véhicule électrique.

Bien qu'assez cher à son pop-up commercial au début des années 90, la technologie lithium-ion (Li-ion) est devenue raisonnable dans le temps et elle peut désormais satisfaire les besoins d'autonomie de nombreuses personnes. La distance moyenne quotidienne des trajets domicile-travail dans le monde est inférieure à 50 km. Cependant, des aspects importants comme le coût et la stabilité doivent être ajustés, disent les chercheurs.

Dans le cadre du projet Laser4Surf, financé par l'UE, les scientifiques abordent l'un de ces paramètres, à savoir la stabilité de la batterie Li-ion. "Nous utilisons le laser pour changer la surface du collecteur de courant, qui est l'un des composants de la batterie, fait de metal. Ces modifications amélioreront la stabilité de la batterie, prolongeant ainsi sa durée de vie, " explique le physicien Dr. Miguel Ángel Muñoz-Márquez, chef du groupe Advanced Interface Analysis au CIC energiGUNE à lava, Espagne.

Toute cellule lithium-ion (batterie) possède un collecteur de courant aux deux extrémités. Le matériau de l'électrode est coulé comme de la peinture sur chaque collecteur de courant; il stocke les ions lithium et les libère si nécessaire, pendant le fonctionnement sur batterie. Techniquement, l'action du laser sur la surface métallique permet une meilleure adhérence de l'électrode au collecteur de courant. Cela empêche toute réaction indésirable qui pourrait déclencher le délaminage de l'électrode du collecteur de courant.

"Ces modifications peuvent également augmenter les performances de la batterie sous des charges de puissance élevée. Avec le laser, on veut augmenter la surface active du collecteur de courant, lui permettant de gérer plus d'électrons dans le processus de charge et de décharge, " ajoute Miguel Angel Muñoz.

Les batteries Li-ion actuelles qui mettent en marche les voitures électriques sont assez puissantes. Selon l'entreprise de fabrication, une voiture peut parcourir entre 200 et 500 km sans recharger la batterie. Le principal problème est l'abordabilité, car le coût de la batterie est d'environ 40 % ou 50 % du coût de la voiture. "Ce chiffre peut être réduit soit en améliorant la technologie, comme nous le faisons dans le projet Laser4Surf, ou en trouvant des matériaux moins chers. Si une solution pour prolonger la durée de vie de la batterie est trouvée, ce serait un succès même s'il s'agit d'un prix plus élevé. La batterie dure plus longtemps et les investissements seront amortis, " dit Muñoz.

Un autre enjeu important du projet concerne la durabilité des batteries. Dans Laser4Surf, les chercheurs sautent une étape chimique du processus de fabrication :le revêtement en carbone du collecteur de courant. Le revêtement de carbone sur une batterie Li-ion ordinaire améliore les performances du collecteur de courant, par exemple. pour assurer un meilleur contact électrique entre le collecteur de courant et l'électrode. "Le laser modifie la surface du collecteur de courant et supprime le besoin de revêtement chimique. En même temps, la gravure du laser améliore à la fois le contact électrique et mécanique, donc les batteries fonctionnent mieux, " explique Muñoz.

Après le premier test en laboratoire, Miguel Angel Muñoz est plein d'espoir quant à l'avenir de cette recherche :« Dans cette seconde moitié du projet, nous travaillons sur un prototype développé dans la ligne d'enduction, disponible dans la salle sèche de notre centre. Ce prototype aura la taille approximative d'une batterie de téléphone portable et la cellule obtenue peut être considérée comme un essai préindustriel. » La prochaine étape consiste à convaincre les fabricants de batteries que ces résultats sont compétitifs. « L'un des objectifs de ce projet est construire des machines capables de modifier la surface du cuivre à grande échelle, il y aura donc un prototype pré-industriel. Si tout va bien, en moins de dix ans, nous pourrons le produire à l'échelle industrielle, " il ajoute.

« Améliorer le contact entre la matière active et le collecteur de courant est extrêmement important et c'est une très bonne approche pour augmenter la durée de vie et les performances de charge de la batterie, " dit le professeur Stefano Passerini, directeur à l'Institut Helmholtz à Ulm, Allemagne et rédacteur en chef du "Journal of Power Sources". Il pense que les lasers pourraient être une technologie efficace, car cela coûte moins cher maintenant. Cependant, un équilibre avantages/coûts doit être calculé et ce n'est qu'alors que l'efficacité de la recherche peut être évaluée.

« Il faut démontrer que l'utilisation de la technologie laser peut améliorer le contact. Je connais d'autres applications laser, dans lequel les équipes envisagent de faire des rainures dans les électrodes pour augmenter l'épaisseur des électrodes, c'est à dire., la densité énergétique, tout en conservant de bonnes performances énergétiques. Cette combinaison serait bonne pour le stockage d'énergie, mais toutes ces approches doivent être démontrées à l'échelle industrielle, " Passerini dit, ajoutant que l'industrie prend beaucoup de temps pour changer les processus établis, à moins qu'une amélioration substantielle ou une économie de coûts énorme ne soit évidente.

Néanmoins, ce type de recherche peut entraîner des économies substantielles pour les entreprises, croit Muñoz. Toute percée a un impact mesurable sur l'industrie des batteries et peut aider à obtenir plus de financement pour un laboratoire permettant de consacrer plus d'efforts dans cette direction.

De plus en plus de groupes scientifiques consacrent du temps à l'étude des batteries. « Il existe différents niveaux de recherche. Premièrement, il y a la recherche appliquée, réalisées par les entreprises. Les résultats de ce type de recherche donnent un impact à court terme et le risque pour la réussite du projet est faible. Deuxièmement, il y a des recherches basées sur des améliorations progressives, avec un impact à court et moyen terme, avec un degré de risque plus élevé, généralement développé par les centres technologiques. Ici, des groupes de travail tentent d'améliorer la capacité des batteries et de réduire les coûts. Finalement, there is fundamental research with medium to long-term impact and high risk, which is typically carried out by research centers or universities. Their results may bring about a revolution, a paradigm shift. Teams could discover for example a new material for high performance lithium ion batteries, a new production method, a new electrode material or a new electrolyte that could bring sodium ion or lithium sulfur batteries onto the market against Li-ion, " Muñoz explains.

The overall demand for better performing batteries leads to various ways of approaching the topic and synergies among different levels of research seem to be needed more than ever.