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Batterie tout-solide : le vrai saut technologie sera permis par l'anode Lithium-métal

Aline Nippert

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Batterie tout-solide : le vrai saut technologie sera permis par l'anode Lithium-métal

L'un des défis principaux consiste à développer de nouveaux process industriels pour fabriquer les batteries solides à un coût compétitif.

© SES

L'agence de conseil Benchmark Mineral a établi, fin novembre, un état de l'art sur les batteries tout-solides. D'après les annonces des acteurs de la filière, 260 GWh de batteries solides à anode Lithium-métal – les plus performantes – seront produites chaque années à partir de 2030 dans le monde.

Objectif Lithium-métal. « Il existe un malentendu quand on parle de batteries tout-solides. La prochaine grande étape technologique dans le domaine des batteries est moins l’électrolyte tout-solide en tant que tel que sa combinaison avec une anode Lithium-métal », insiste Kieran O’Regan, consultant chez Benchmark Mineral Intelligence, rappelant que « certaines entreprises commercialisent déjà des batteries tout-solide, sans avoir franchi d’étape majeure en termes de performance ». Le cabinet de conseil Benchmark Mineral, spécialisé sur les batteries Lithium-ion, a présenté, fin novembre, un rapport « introductif sur les batteries solides et Lithium-métal » dans l’optique de « faire le point sur les différentes technologies qui existent (anodes et électrolytes) et d’identifier quels acteurs développent quelles technos », précise le spécialiste.

Deux types d'électrolytes solides

Si le monde de la batterie et de l'automobile a les yeux rivés sur le développement des batteries « tout-solide », c'est d'abord pour leurs atouts en termes de sécurité. « Les emballements thermiques sont limités par rapport aux cellules à électrolyte liquide, notamment dans le cas des Lithium-ion, la couche solide faisant office de "protection" », explique Rory McNulty, analyste chez Benchmark Mineral.

Dans la famille tout-solide, deux types de matériaux d’électrolytes sont ainsi développés, est-il rappelé dans le rapport de Benchmark : les électrolytes polymères d’un côté, les électrolytes non organiques (à base d’oxydes ou de sulfures solides) de l’autre côté. « La batterie à électrolyte en polymère est la moins performante des tout-solides, mais c’est la seule qui est actuellement sur le marché, commente M. McNulty. L’entreprise française Blue Solution, qui équipe des bus et voitures électriques avec ses batteries solides, utilise un électrolyte en polymère. » Problème ? Pour atteindre une conductivité suffisante, l’électrolyte doit constamment être chauffé autour de 60/70°C, expliquent les consultants. « Les propriétés des matériaux non organiques sont meilleurs, mais ils ne sont pas encore prêts à la commercialisation », complète-t-il.

Vers l'anode lithium-métal

Autre atout, et non des moindres : les batteries tout-solides marqueraient un véritable saut technologique en termes de performances... non pas grâce à l’électrolyte solide en tant que tel, mais grâce à la chimie de l’anode. La meilleure, en l’état actuel des connaissances, est l’anode lithium-métal : elle permettrait de dépasser 350 Wh/kg au niveau de la cellule contre 250-280 Wh/kg pour les meilleures Lithium-ion, d’après le rapport de Benchmark. « Or, il n’est pas possible de mettre en place une anode lithium-métal avec un électrolyte liquide pour des raisons de sécurité », précise Rory McNulty.

Si le lithium-métal est considéré comme idéal pour les constructeurs automobiles, la technologie n’est pas encore suffisamment mature pour être produite en série. Alors certaines entreprises préfèrent s’y prendre par étapes. « Certains acteurs misent, dans un premier temps, sur l’anode en silicone-graphite, même si elle permet une densité d’énergie bien moindre que la lithium-métal », développe Rory McNulty. C'est notamment le cas du fabricant de batterie Solid Power, spinoff issue de l'université du Colorado à Boulder, propriétaire d'une technologie d'électrolyte solide de type sulfure, en partenariat dans le monde automobile avec Hyundai, Ford ou BMW. « Cela permet notamment aux acteurs de la filière de développer des processus industriels qui pourront, en temps voulu, être utilisés pour fabriquer les lithium-métal », ajoute l'expert.

Localisations des centres R&D, usines de fabrication et sièges sociaux des principaux acteurs occidentaux qui développenet des batteries solides. ? Benchmark Mineral Intelligence

Car la mise au point des processus industriels représente, d’après les experts de Benchmark, l’un des principaux verrous à la commercialisation des batteries tout-solides. « Pour l’heure, la plupart des cellules sont assemblés manuellement, affirme M. O’Regan. Il faut désormais mettre au point des nouveaux process pour pouvoir manipuler le lithium-métal de haute pureté, extrêmement sensible à l’humidité et aux autres variations atmosphériques, tout en évitant les pertes et en restant compétitifs. C’est l’une des difficultés majeures », poursuit-il.

260 GWh à horizon 2030

Les feuilles de route commencent toutefois à s’esquisser du côté des fabricants de batteries et des constructeurs automobiles. « L’entreprise SES [basée à Boston, ndlr] est sans doute la plus avancée, elle serait même proche de la commercialisation : elle a récemment annoncé la construction de la première gigafactory lithium-métal (1 GWh) en Chine en 2023 », raconte Kieran O’Regan. SES a notamment tissé des partenariats avec les constructeurs Hyundai et Geely. « Toute techno confondue, la plupart des constructeurs auto (Renault, VW, BMW, Toyota…) parle de production de masse des tout-solide autour de 2025-2030. »

En se basant sur les annonces officielles, Benchmark Mineral Intelligence estime que la production annuelle de batteries lithium-métal sera suffisante pour équiper l’équivalent de 70 000 véhicules électrique à horizon 2030. « Nous atteignons le chiffre de 260 GWh de capacité de production mondiale d’ici 2030. Ce qui n’est rien comparé aux 4,8 TWh de capacités prévus pour les traditionnels Lithium-ion ! » souligne Kieran O’Regan.

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