Une piste prometteuse : la batterie tout solide.

Suite de nos échos à Paris-Saclay SPRING à travers le témoignage de Sylvain Franger et d’Arun Kumar Meena, deux chercheurs de l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (ex-Université Paris-Sud), rencontrés dans le Village «Climat Energie Environnement» où ils présentaient les résultats de leurs recherches sur une nouvelle génération de batteries.

– Pouvez-vous commencer par vous présenter ?

Sylvain Franger : Je suis professeur de chimie à l’Université de Paris-Sud. Au sein de l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay, je poursuis depuis plus d’une vingtaine d’années des travaux de recherche sur les batteries, de différents types (lithium métal, lithium-ion, nickel métal hydrure,…), et pour différentes applications, de la plus micro (micro-électronique,…) à la plus macro (véhicule électrique). Concrètement, avec mes collègues, nous étudions les avantages et inconvénients de plusieurs matériaux actifs, le dimensionnement de la batterie,… Nous construisons aussi des prototypes pour tester de nouvelles technologies répondant aux besoins spécifiques d’une application,…

– Merci pour cette entrée en matière qui illustre d’emblée le fait que les enjeux de recherche sur les batteries ne se limitent pas, loin de là, au véhicule électrique, qu’ils concernent bien d’autres applications et domaines d’activité…

Sylvain Franger : C’est effectivement bien de le rappeler. Ces recherches visent également à répondre à ce défi majeur qu’est la problématique du stockage de l’électricité produite par les énergies renouvelables (solaire, éolien), mais aussi des objets connectés, qui requièrent un minimum d’autonomie. Sans compter des applications qui commencent à émerger avec les vêtements intelligents, les cartes à puce connectées, qui impliquent encore des batteries spécifiques nécessitant encore de nombreux développements…

– Aviez-vous pris la mesure du champ ainsi couvert par votre domaine de recherche quand vous l’avez investi ?

Sylvain Franger : En fait, il y a vingt ans, nous entrevoyons déjà tout l’intérêt et le potentiel du véhicule électrique, qui, reconnaissons-le, a beaucoup boosté la recherche sur de nouvelles générations de batteries ; mais aussi pour les matériaux capables d’optimiser le stockage de l’électricité produite par des EnR, dans la perspective d’un mix énergétique (avec les énergies fossiles). Même si on ne parlait pas encore de l’Internet des Objets, on se préoccupait déjà de la question de leur autonomie. Certes, l’hydrogène s’est de longue date imposé comme une énergie alternative, mais son usage s’est longtemps heurté à des verrous technologiques. Au contraire des batteries qui, elles, n’ont cessé de gagner en performance, en présentant de surcroît un autre intérêt : la possibilité de les miniaturiser grâce au recours à de nouveaux matériaux. On peut aujourd’hui en faire de toutes tailles et ainsi répondre à un plus large spectre de besoins, ainsi qu’on le mentionnait tout à l’heure.

– (à Arun Kunar Meena) : Et vous-même, si vous deviez vous présenter ?

Arun Kumar Meena [en anglais] : Je suis de nationalité indienne. Après des études d’ingénieur à l’Indian Institute of Technology de Kanpur, je suis venu en France en 2014, pour y effectuer un stage à l’Université Paris-Sud, renouvelé en 2015 puis, en 2016, j’ai entamé un master à l’Ecole Polytechnique sur les énergies renouvelables. Depuis décembre 2017, je poursuis une thèse sous la direction de M. Franger, dans le cadre d’une convention Cifre, avec l’entreprise Greenfish. Mes travaux portent sur les batteries tout solide, c’est-à-dire sans le moindre liquide et à base de sodium, ce qui représente un double challenge.

– Des batteries tout solide ? Pouvez-vous préciser ?

Sylvain Franger : Rappelons que les batteries traditionnelles comportent un électrolyte liquide, lequel est à la source de problèmes de fuites ou d’inflammation qu’on a malheureusement pu observer sur certaines applications : en cas d’échauffements locaux, induits par exemple par des charges rapides, la partie liquide peut en effet s’enflammer, ce qui, bien évidemment pose des problèmes de sécurité. Des problématiques qu’on ne rencontre plus avec la batterie tout solide, puisqu’aucun de ses composants n’est inflammable [en illustration : un assemblage des différents constituants de la batterie tout solide dans une cellule de mesure, avec ici un passage en boîte à gants pour la mise en place du sodium métal – très sensible à l’air].
La batterie tout solide présente deux autres intérêts. D’une part, elle offre des densités d’énergie embarquées beaucoup plus élevées que ce qu’on peut obtenir avec les batteries actuelles, même les plus performantes (le lithium-ion ne permet pas de dépasser les 300 Wh/kg alors qu’on peut espérer aller au-delà des 400 Wh/Kg avec le tout solide).
D’autre part, une batterie tout solide est plus facilement recyclable qu’une batterie classique, qui, du fait de la présence d’un liquide inflammable rend le désassemblage délicat d’autant que ce liquide peut également contenir des composés toxiques qui se forment au fil de l’usage de la batterie. C’est pourquoi d’ailleurs une filière de recyclage est si difficile à mettre en place actuellement : en plus d’être complexe et coûteuse, elle est assez peu rentable d’un point de vue économique. A contrario, des industriels pourraient se positionner plus favorablement dans le recyclage de batteries tout solide, parce que plus simple à piloter et, donc, moins coûteux.

– Si vous deviez préciser maintenant les avantages du recours au sodium ?

Arun Kumar Meena : Le sodium offre l’intérêt d’être plus abondant et accessible que le lithium. Il faut savoir que les réserves de lithium ne sont pas uniformément réparties. Il nous faut donc réfléchir à d’autres options dès maintenant. En plus d’être abondant et bon marché, le sodium présente des qualités pour optimiser le stockage.

Sylvain Franger : Il assure de fait une meilleure indépendance à l’Europe.

– A quelle difficulté vous heurtez-vous ?

Arun Kumar Meena : La plupart des industriels s’orientent d’ores et déjà vers des batteries tout solide. Mais il nous faut encore les convaincre de l’efficacité de batteries à base de sodium. Nous en sommes encore au stade du prototypage, mais nos résultats sont convaincants, ce qui nous encourage à persévérer dans cette voie.

– (A Sylvain Franger) : Qu’est-ce qui vous a déterminé à « recruter » Arun ?

Sylvain Franger : Nous recherchions quelqu’un ayant des compétences en science des matériaux et en électrochimie, mais aussi en ingénierie pour nous aider à lever différents verrous technologiques sinon défis : la mise en forme des matériaux, leur densification, la gestion des interfaces solide-solide, la diminution, des résistances internes, etc. De par sa formation et sa culture générale sur les énergies renouvelables, Arun était le candidat idéal pour mener à bien ce projet. D’autant qu’il connaissait déjà le laboratoire grâce à ses précédents stages et les moyens dont il disposait.

– Un mot justement sur cet Institut et ses éventuels atouts ?

Sylvain Fanger : La force de notre équipe est de couvrir toute la chaine de conception de batteries : nous sommes en mesure de savoir quels matériaux seront les plus adaptés à telle ou telle application, de synthétiser ces matériaux à façon. Nous disposons d’une plateforme de caractérisation, qui nous permet de connaître rapidement les qualités de chaque matériau : son degré de pureté, s’il est bien cristallisé, la taille de ses grains, sa morphologie,… Comme indiqué, nous allons jusqu’au prototypage. D’ailleurs, ce que nous présentons ici n’est rien d’autre qu’un prototype de batterie tout solide au sodium. Nous disposons également de moyens pour faire vieillir, de façon accélérée, les batteries pour évaluer leurs performances dans la durée. Nous pouvons ainsi proposer des scénarios d’optimisation aux industriels, de façon à augmenter la durée de vie de la batterie selon l’application à laquelle elle est destinée [en illustration : un des nombreux tests menés sur un prototype de batterie tout solide au sodium].

– En quoi l’écosystème Paris-Saclay est-il favorable au développement de ce projet ?

Arun Kumar Meena : Ici, j’ai l’occasion d’assister à de nombreux workshops et séminaires, qui sont autant d’opportunités pour moi de nouer contact avec d’autres spécialistes, y compris orientés vers d’autres types de batteries que celles sur lesquelles je travaille. Pouvoir échanger avec eux est forcément stimulant.

Sylvain Franger : Il est clair que pour nous, Paris-Saclay est un environnement plus que favorable : on baigne ici dans un écosystème très riche au plan académique, mais aussi au plan industriel – de nombreuses grandes entreprises, directement concernées par nos recherches, y sont implantées.
Comme je le disais au début de notre entretien, nous travaillons sur les batteries depuis au moins deux décennies. Des relations naturelles ont été instaurées avec de nombreux industriels : des constructeurs automobiles, EDF, etc. Nous travaillons aussi avec des PME. C’est d’ailleurs avec l’une d’elles, Greenfish, que nous menons le projet de batterie tout solide au sodium.
De manière générale, la collaboration avec les industriels peut aller de la simple réalisation d’études jusqu’au financement d’une thèse en convention Cifre, comme dans le cas d’Arun. Cela peut porter aussi sur des projets de plus grande envergure dans le cadre de programmes nationaux de type ANR ou européens. Cette collaboration fait pleinement sens et est bénéfique aussi bien aux industriels qu’à la recherche académique. Pour les chercheurs que nous sommes, c’est un avantage que de pouvoir apprécier les retombées au plan applicatif. La recherche en chimie matériaux est intéressante en elle-même et importante pour la formation des jeunes chercheurs. Mais le fait de pouvoir voir les applications concrètes de ses travaux de recherche a forcément quelque chose de motivant et même de passionnant. Sans compter que les problématiques des industriels peuvent être le point de départ de nouvelles recherches. D’ailleurs, ici, nous intervenons au nom du laboratoire, mais aussi au titre de notre partenariat avec l’entreprise Greenfish.

– Un mot justement sur Paris-Saclay SPRING ? En quoi est-ce un événement intéressant pour vous ?

Sylvain Franger : C’est la première fois que nous y participions. Je trouve que c’est une belle vitrine pour faire connaître nos savoir-faire et nos travaux académiques. Nous avons déjà eu l’occasion de rencontrer beaucoup de personnes, de surcroît d’horizons très différents. La rencontre peut aller du simple contact – la personne se montre juste curieuse et désireuse d’en savoir plus sur notre technologie – jusqu’à des demandes précises sur la manière de calibrer des batteries pour les applications que nos interlocuteurs envisagent. Ce qui nous ouvre aussi des perspectives inattendues. Je pense en particulier à ces personnes qui commercialisent des drones ou à ces autres, qui expérimentent des installations de récupération d’énergie solaire, en Afrique. Les unes comme les autres sont confrontées à des problématiques de stockage et, donc, à des questionnements sur le type de batterie qu’elles auraient intérêt à privilégier. C’est précisément le genre de contact que nous recherchons, car nous sommes le plus souvent en mesure d’identifier d’emblée la nature du défi. Mais cela nous fait aussi réfléchir et nous challenge sur nos propres options, car ces projets imposent parfois des cahiers des charges drastiques en termes de température, de durée de vie, de cyclabilité…

A lire aussi :

– les comptes rendus de la cérémonie de clôture de Paris-Saclay Spring et du discours de Cédric Villani (pour y accéder, cliquer ici), de notre test d’un véhicule autonome dans le cadre du projet Paris-Saclay Autonomous Lab (cliquer ici) et de la table ronde « VC’s meet Clusters » (cliquer ici) ;

– les entretiens avec Nadège Faul, responsable des projets de transport autonome au sein de VEDECOM (cliquer ici) ; Laëtitia Pronzola, fondatrice de Lotaëmi, une start-up, qui a conçu un baume essentiel pour soin capillaire et peau sèche à base d’ingrédients 100% naturels (cliquer ici) et Barthélémy Bourdon Barón Muñoz, CEO et cofondateur de Hajime, une start-up qui s’est placée à l’interface de la psychologie sociale et de l’IA pour améliorer l’observance thérapeutique (cliquer ici).

Sylvain Allemand

Journaliste