Des batteries chargées à bloc

Les recherches sur le stockage électrochimique de l’énergie sont en plein boom. Un réseau de recherche sur les batteries, associant les grands organismes scientifiques et les industriels, a été lancé en 2010 par la ministre de la Recherche Valérie Pécresse. Porté par ce réseau, le projet Store-ex a été désigné le  25 mars dernier Laboratoire d’excellence. Coordonnées par le CNRS, le ministère et le Laboratoire de réactivité et chimie des solides (université de Picardie), où l’académicien des sciences Jean-Marie Tarascon est professeur, sept équipes scientifiques démarrent ce projet.

Nous levons des verrous technologiques

À l’Institut des matériaux nantais (IMN), l’équipe Stockage et transformation électrochimiques de l’énergie (ST2E, 35 chercheurs) y participe. Elle bénéficie d’une reconnaissance internationale pour ses recherches sur les batteries, qui ont donné lieu à de nombreuses publications, brevets, prix et collaborations (France, Canada, États-Unis, Japon). Les deux types de batteries au lithium(1) y sont étudiés. Ces batteries se sont considérablement transformées depuis les années 90, notamment grâce à l’IMN. « Nous améliorons leurs performances et levons des verrous technologiques », résume Dominique Guyomard, directeur de recherches et responsable de l’équipe. Et ces batteries sont promises à un bel avenir : elles sont au cœur du fonctionnement des véhicules électriques et hybrides (2 millions de véhicules en France prévus en 2020, chiffre d’affaires évalué à 7,5 milliards d’euros).  « Les batteries au lithium représentent un marché colossal ! Elles équiperont tous les véhicules électriques et seront présentes sur les navires. Sur des systèmes fixes, elles peuvent servir au stockage des énergies renouvelables, l’éolien et le photovoltaïque. » Les recherches fondamentales et appliquées de l’équipe ST2E portent sur l’assemblage des matériaux, où des prototypes valident de nouveaux concepts, avant d’avoir des applications concrètes, parfois dix ans plus tard. Plus précisément, c’est le cœur de la batterie que les chercheurs améliorent : les électrodes. Mais une électrode n’est pas un simple bout de métal !

Un milieu extrêmement complexe

La performance d’une batterie dépend de ses deux électrodes, l’anode (positive) et la cathode (négative). C’est ici qu’ont lieu les échanges d’électrons... et ce milieu est extrêmement complexe. Il faut comprendre et étudier, dans le détail, les compositions chimiques et l’ordre dans lequel les constituants des électrodes sont mélangés, lors de la fabrication, ainsi que le milieu, appelé l’électrolyte, qui conduit les ions entre les électrodes. En analysant ces réactions chimiques, les chercheurs du laboratoire ST2E ont inventé des électrodes composites, aux conductivités ioniques et électroniques renforcées. Le solvant, utilisé lors de la fabrication, a aussi été modifié : les Nantais ont démontré, brevet à l’appui, que le produit toxique utilisé couramment pouvait être remplacé par de l’eau.  
Un tiers d’énergie perdue !
Mais la performance ne sert à rien, si la batterie s’use trop vite. « À chacune de ses décharges, la batterie perd de l’énergie, explique Dominique Guyomard. Des réactions chimiques parasites aux interfaces, entre l’électrode et l’électrolyte, consomment des électrons et des ions. L’un des verrous technologiques à lever se situe sur ces interfaces, pour limiter l’usure. » Une batterie lithium-ion ne contient plus que 80% d’énergie après 3000 cycles environ, mais l’usure intervient aussi dès le départ, dans un phénomène bien connu des fabricants : « À la première décharge d’une batterie, son électrolyte se décompose et forme immédiatement, sur l’anode, une couche solide, explique la doctorante Marine Cuisinier. Ancienne étudiante à l’École nationale supérieure de chimie de Rennes, la jeune femme étudie l’interface de ces électrodes, sous la direction de Dominique Guyomard. Si l’on ne maîtrise pas la formation de cette couche, elle peut devenir très épaisse et l’énergie stockée dans la batterie se réduit d’un tiers. »
Pour quantifier ce qui se passe, la doctorante utilise la résonnance magnétique nucléaire (RMN du solide) : de quoi est composée cette couche ? Quand se forme-t-elle exactement ? Comment évolue son épaisseur ? Ces connaissances sont essentielles pour optimiser la fabrication de nouvelles électrodes, avec des matériaux actifs (stockant le lithium), des agents conducteurs (carbones) et des liants polymères.

Le marché des batteries électriques (ici "nickel metal hydrure", sous le capot d'une Toyota Prius hybride) est en pleine expansion.

L’autre électrode, moins étudiée

Mais ce n’est pas tout, car il y a aussi des soucis du côté de l’autre électrode, la cathode ! Celle-ci est moins étudiée et moins connue. Marine Cuisinier a montré que la cathode s’oxydait à l’air, et devenait ainsi moins performante, avant même d’être mise dans la batterie, lors de la fabrication. Cette découverte est essentielle, car la cathode est constituée d’un matériau stratégique, à base de lithium, dont le coût élevé et le poids sont les éléments limitants de la batterie.