Après 2035, plus aucune voiture neuve équipée d'un moteur à combustion ne devrait être vendue en Europe. Pour atteindre cet objectif ambitieux, il faut avant tout une chose : de meilleures batteries pour que les voitures électriques se chargent plus rapidement, parcourent de plus longues distances et aient une empreinte écologique plus faible. Une multitude de grands projets de recherche soutiennent l'industrie des batteries et de l'automobile dans le développement des batteries du futur. L'un d'entre eux, un projet « Horizon 2020 » appelé « SeNSE », s'est achevé avec succès début 2024.

Ce projet européen de quatre ans avec un budget global de plus de 10 moi d'euros a été initié et dirigé par des chercheurs du laboratoire « Materials for Energy Conversion » de l'Empa. Au moment de l'appel d'offres, ce laboratoire relativement jeune était encore peu connu dans le domaine de la recherche sur les batteries. Le directeur du laboratoire, Corsin Battaglia, savait que pour faire partie d'un projet européen sur les batteries, lui et ses chercheurs devaient en mettre un sur pied. C'est chose faite : Corsin Battaglia et son collaborateur Ruben-Simon Kühnel ont réussi à convaincre des institutions universitaires et des entreprises industrielles du monde entier de les rejoindre et ont remporté l'appel d'offres.

Des technologies pour aujourd'hui

L'objectif de « SeNSE » était à la fois pragmatique et ambitieux. Les onze collaborateurs voulaient développer des solutions pour les batteries lithium-ion de la prochaine génération - la prochaine, souligne Corsin Battaglia, et non pas celle d'après. En d'autres termes, cela signifie : Au terme du projet, les matériaux et les technologies développés devraient être aussi proches que possible de la production à l'échelle industrielle, et donc de l'utilisation dans les voitures électriques. « Nous faisons également des recherches sur des technologies de batteries qui sont potentiellement bien meilleures que les batteries lithium-ion – plus durables, plus sûres, avec une densité énergétique plus élevée », explique Corsin Battaglia. « Mais il faudra encore quelques années avant de pouvoir les fabriquer à l'échelle industrielle. Dans « SeNSE », nous voulions développer des technologies qui pourraient être intégrées dans des voitures électriques prêtes à être commercialisées d'ici quelques années ».

Pour ce faire, les les équipes participantes ont parcouru en quatre ans seulement presque toute la chaîne de création de valeur de la fabrication de batteries : du développement de nouveaux matériaux à leur mise à l'échelle et à leur intégration dans des cellules de batteries. Les cellules en sachet de la taille d'un smartphone ont été fabriquées par l'Austrian Institute of Technology (AIT). FPT Motorenforschung AG, le centre d'innovation de la marque FPT Industrial, appartenant au groupe Iveco, a ensuite pu intégrer les cellules dans un module prêt à l'emploi comme ceux utilisés dans les véhicules électriques – y compris l'électronique et le logiciel associés.

Tous les composants ont été améliorés

Le module « SeNSE » présente plusieurs améliorations par rapport aux accumulateurs actuels : Une densité énergétique plus élevée et un bilan écologique plus favorable, une capacité de charge rapide et une sécurité incendie accrue - et bien sûr, la rentabilité. Tous les composants clés de la batterie ont été perfectionnés dans le cadre du projet. La cathode contient deux fois moins de cobalt, une matière première critique, que les batteries actuelles. Dans l'anode, les collaborateurs ont pu remplacer une partie du graphite – également considéré comme critique justement en raison de la fabrication des batteries – par du silicium, l'un des éléments les plus fréquents dans la croûte terrestre.

L'électrolyte – le liquide qui transfère les ions entre les électrodes et permet ainsi de charger et de décharger la batterie – a également été amélioré. Ici, les chercheurs de l'Empa ont ont dirigé les efforts de développement. « Les électrolytes traditionnels sont inflammables », explique Ruben-Simon Kühnel, chercheur à l'Empa. « Nous avons pu réduire fortement l'inflammabilité grâce à certains additifs, sans pour autant nuire à la conductibilité, qui est centrale pour la charge et la décharge rapides ». Afin d'améliorer encore la capacité de charge rapide, la « Coventry University » britannique a en outre développé, en collaboration avec la FPT Motorenforschung AG, un système sophistiqué de gestion de la température pour le module pilote. Des capteurs directement intégrés dans les cellules surveillent la température à l'intérieur de la batterie en temps réel. Un algorithme spécialement développé à cet effet peut alors toujours charger la cellule juste assez vite pour qu'elle ne soit pas endommagée par une surchauffe.

Selon Corsin Battaglia et Ruben-Simon Kühnel, la plus grande réussite du projet est son évolutivité et son transfert direct vers l'industrie. Les équipes industrielles impliquées ont déjà pu déposer plusieurs brevets pour les nouveaux développements de « SeNSE », construire des installations pilotes et assurer des financements, et intégrer leurs connaissances acquises dans d'autres technologies de batteries. L'entreprise chimique Huntsman a même déjà mis sur le marché l'additif conducteur utilisé dans les électrodes « SeNSE », où il est désormais à la disposition des fabricants de batteries.

L'étape suivante

Ce chemin vers le succès ne s'est pas fait sans obstacles. Outre les grands défis organisationnels liés à la pandémie, à l'instabilité des chaînes d'approvisionnement et à la hausse des prix des matières premières et de l'énergie, des difficultés techniques ont également été rencontrées. Ainsi, les cellules prototypes ne sont pas encore aussi stables que le souhaiteraient les équipes de projet. De même, la mise à l'échelle, bien que réussie, est encore loin d'être terminée. « Nous avons fait passer tous les nouveaux développements de l'échelle du laboratoire à l'échelle pilote », explique Corsin Battaglia. « Pour la production dans ce que l'on appelle une gigafactory – par example chez partenaire Northvolt, qui produisent pluiseures gigawatt-heures de batteries par an – il faudrait encore une fois augmenter l'échelle de toute la fabrication des matériaux d'un facteur 1000 ». Pour cela, l'engagement de l'industrie est nécessaire.

Entre-temps, les chercheurs de l'Empa se tournent déjà vers le prochain projet européen de batteries. « SeNSE » avait en effet trois projets frères qui ont été financés dans le cadre du même appel d'offres. « Nous avons créé un cluster commun pour la recherche sur les batteries et nous échangeons régulièrement des informations », explique Ruben-Simon Kühnel. Les coordinateurs des quatre projets ont maintenant lancé un projet de recherche commun « Horizon Europe » appelé « IntelLiGent ». L'objectif : développer des cellules haute tension sans cobalt pour les voitures électriques.

SeNSE

Le projet « Horizon 2020 » « SeNSE » avait pour objectif de développer la prochaine génération d'accumulateurs au lithium-ion et de renforcer l'industrie européenne des batteries. Ce projet de quatre ans a été soutenu par l'UE à hauteur de 10 millions d'euros et dirigé par l'Empa. Y ont participé les collaborateurs académiques suivants : l'université de Münster, l'institut Helmholtz de Münster, la « Coventry University » britannique, l'« AIT Austrian Institute of Technology » et le centre de recherche sur l'énergie solaire et l'hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW) ainsi que plusieurs partenaires industriels : le fabricant suédois de batteries Northvolt, le centre d'innovation suisse de FPT Industrial, à savoir FPT Motorenforschung AG, les start-up françaises Solvionic et Enwires ainsi que le groupe chimique Huntsman, dont un site de recherche se trouve à Bâle.