Une nouvelle génération de batteries tout-solide : la voie vers la souveraineté technologique
Les batteries lithium-ion (LIB) atteignent leur limite pratique de production énergétique et rencontrent des problèmes de sécurité. La solution technologique des batteries tout-solide est, dans ces conditions, porteuse d’espoir, mais elle rencontre elle-même des problèmes de réalisation, même si le choix du gel pour l’électrolyte semble le préférable. Il paraît donc pertinent que l’Europe continue à se renforcer dans les filières LIB, tout en préparant l’étape suivante pour partir dans le peloton de tête en matière de tout-solide.
Depuis la découverte de l’électricité, la demande pour des sources d’énergie portables a fortement augmenté. Parmi les solutions, des dispositifs électrochimiques appelés batteries, capables de convertir l’énergie chimique en électricité et vice versa, sont essentiels. Ils sont divisés en deux catégories : primaires (non rechargeables) et secondaires (rechargeables) (cf. figure 1). Les premiers, comme les piles alcalines ou au lithium, sont utilisés pour des dispositifs à faible consommation(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.8b00422 ; https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/cp/d4cp04614e). Les seconds, qui peuvent atteindre des milliers de cycles, sont préférés pour les applications exigeantes (https://www.bestmag.co.uk/lead-batteries-set-to-retain-30-market-share/).
Petite histoire de la batterie
Les premières batteries datent de Volta (1800) et Leclanché (1866). Les batteries secondaires ont commencé avec du plomb-acide (Planté, 1859), qui étaient et sont encore utilisées dans les industries automobiles et des télécommunications. Par la suite, les technologies Ni-Fe, Ni-Cd et Ni-MH ont émergé, mais leur part de marché a diminué face aux batteries lithium-ion (https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/primary-battery-market-101392).
Depuis les années 1960, la recherche sur les batteries Li s’est intensifiée, accélérée par la crise énergétique des années 1970. Les batteries lithium-métal, prometteuses pour leur densité énergétique, ont été limitées par des préoccupations de sécurité. Le lithium-ion (LIB), plus sûr grâce aux anodes carbone, a été commercialisé en 1991 par Sony, révolutionnant l’électronique portable. Aujourd’hui, les LIB dominent le marché avec des applications variées (3C, véhicules électriques, stockage d’énergie) et une croissance annuelle de 18 % (https://market.us/report/lithium-ion-battery-market/).
Les limites de la LIB
Néanmoins, après plus de 40 ans de développement, les batteries lithium-ion (LIB) atteignent leur limite pratique de production énergétique de ~ 350-400 Wh/kg et, malgré des efforts d’innovation sans précédent en R & D et en fabrication, il subsiste encore certaines préoccupations de sécurité liées à l’utilisation d’électrolytes liquides à base de solvants organiques hautement inflammables.
Cependant, ces risques sont bien contrôlés grâce à des contre-mesures efficaces à différents niveaux : premièrement, l’utilisation d’un système de gestion de batterie (BMS) qui surveille et contrôle l’état de santé (SOH) des cellules tout au long de leur vie, limitant ainsi tout dommage pouvant provoquer un incident critique ; deuxièmement, l’intégration de dispositifs tels que des plaques thermiques pour prévenir la propagation d’un incendie d’une cellule à une autre et prévenir la fuite thermique ; et enfin le choix des produits chimiques d’électrodes les plus sûrs et un contrôle qualité exhaustif pour répondre aux exigences de sécurité les plus strictes de l’industrie automobile.
Ainsi la LIB, en tant que principale technologie de batterie secondaire assez flexible, ne peut pas satisfaire pleinement la demande croissante de densité énergétique toujours plus grande pour des applications émergentes telles que : véhicules électriques longue portée, eVTOL (décollage et atterrissage verticaux électriques), robots, avions électrifiés, véhicules sans pilote, satellites, etc.
Enfin le tout-solide vint…
Dans ce contexte, les batteries tout-solide contenant des électrolytes solides intrinsèquement sûrs et électrochimiquement stables sont considérées comme l’un des candidats les plus prometteurs pour les batteries de nouvelle génération. Ces électrolytes solides peuvent être divisés en différents groupes : 100 % inorganiques (all solid-state battery ou all-SSB) ou semi-solides (semi-SSB) fondés sur des polymères mais pouvant être formulés avec des plastifiants ou des charges inorganiques.
Les batteries inorganiques (famille all-SSB)
Elles sont fondées sur des céramiques conductrices inorganiques (sulfures, oxydes, halogénures) sans utiliser de polymères ou de liquides. Dans ce type de batterie, l’électrolyte liquide est remplacé par un matériau solide, ionique mais électroniquement isolant. Le principe repose sur la migration des ions lithium à travers l’électrolyte céramique, ce qui assure le transport ionique entre l’anode et la cathode. Lors de la charge et de la décharge, les ions se déplacent dans ce réseau solide avec l’ambition d’améliorer la sécurité, en évitant la formation de dendrites (prolifération de lithium pouvant provoquer des courts-circuits entre l’anode et la cathode de métal lithium).
Ces nouvelles technologies devraient être introduites sur le marché en 2028, représentant peut-être 3 à 5 % du marché. Leur part pourrait atteindre 5 à 8 % d’ici 2030, atteignant finalement de 25 à 50 % d’ici 2040. La Chine sera très probablement la première région où ces technologies seront déployées à grande échelle.
Il est important de souligner que ces technologies souffrent encore de coûts nettement plus élevés que les batteries existantes (100 €/kWh), principalement en raison d’une production de matières premières et de fabrication de cellules qui restent limitées en taille. Cette prime de coût initiale pourrait conduire à une adoption précoce dans les applications aérospatiales et de défense plutôt que dans l’automobile, mais à long terme le marché espère que ces technologies atteindront un coût équivalent aux batteries lithium-ion.
Les batteries polymères (famille semi-SSB)
Elles utilisent des électrolytes composés de matrices polymériques capables de conduire des ions, tels que suit. Les électrolytes en gel : dans les systèmes en gel, les particules actives sont dispersées dans un gel polymère composé d’une matrice polymère, d’un plastifiant piégé dans la matrice polymère et d’un sel de lithium, offrant flexibilité et bonne conductivité. Les polymères électrolytes secs : ils peuvent s’affranchir de l’utilisation de plastifiant tels que les polyoxyéthylènes (POE) contenant des sels de lithium. Ils requièrent l’utilisation d’une température relativement élevée (50 à 70 °C) pour s’assurer d’un minimum de conductivité ionique.
Les électrolytes single-ion à base de polymères conducteurs : les technologies single-ion reposent sur des polymères fonctionnalisés qui ne transportent que les cations lithium, améliorant la contribution de la conductivité du lithium par rapport à la conductivité totale (https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acscentsci.9b00406). Les batteries hybrides : elles combinent un électrolyte polymère flexible, qui peut être un gel, un polymère single-ion ou même un polymère non conducteur utilisé comme liant, avec des particules céramiques conductrices inorganiques. La phase polymérique assure la flexibilité et une bonne interface avec les électrodes, tandis que les céramiques améliorent la conductivité ionique et la stabilité mécanique. Le principe repose sur la migration des ions lithium à travers ce composite solide, qui combine la sécurité des systèmes entièrement solides avec de meilleures performances électrochimiques.
Les espoirs du tout-solide
On s’attend à ce que, comparées aux batteries lithium-ion conventionnelles, les batteries tout-solide, quel que soit leur design, puissent fournir une densité d’énergie en volume plus élevée (> 1 400 Wh/l) et une densité d’énergie en poids plus élevée (> 700 Wh/kg) en permettant l’utilisation d’électrodes à haute énergie fondées sur : Li métal (cf. figure 2b), 100 % Si et haute énergie, matériaux actifs à cathode haute tension. De plus, le passage à des cellules entièrement solides devrait améliorer significativement le niveau de sécurité sur la durée de vie de la batterie, en améliorant la stabilité thermique globale grâce à l’utilisation de matériaux intrinsèquement sûrs, en évitant les fuites d’électrolyte et, en fin de compte, en réduisant les risques lors du recyclage. La stabilisation des interfaces et la réduction de l’interaction entre les composants à l’état solide prolongeront la durée de vie de ces batteries.
Les difficultés du SSB
Cependant, malgré d’importantes avancées technologiques dans les matériaux, les cellules et les aspects technologiques clés, les technologies SSB font face à de multiples défis liés au développement de nouveaux procédés, au besoin d’équipements spéciaux et aux technologies de fabrication correspondantes. Tous les défis mentionnés ci-dessus ont entraîné des retards dans le développement, la montée en production, la validation et le démarrage de ces technologies entièrement solides. En conséquence, les dépenses en capital (Capex) et le coût des cellules augmentent, réduisant les chances d’adoption rapide et large sur le marché de cette nouvelle génération de batteries, en particulier dans le contexte géopolitique actuel.
La solution du gel
Dans ce contexte, les batteries à base de gel attirent une attention significative de la part de la communauté et de l’industrie en tant que solution à court et moyen terme parmi les différents modèles de batteries tout-solide (cf. figure 3). Le principal avantage du gel réside dans l’utilisation de composants liquides pour augmenter la conductivité ionique et diminuer la résistance interfaciale entre l’électrolyte et l’électrode. Les principaux avantages sont : une grande polyvalence des systèmes électrolytiques, une forte densité énergétique et de puissance, une large plage de températures de fonctionnement, une pression de fonctionnement modérée et une forte compatibilité avec les principaux procédés technologiques existant dans les usines de fabrication de batteries lithium-ion, ce qui réduit la barrière d’acceptation pour les fabricants de batteries et les utilisateurs finaux.
Un plan d’action
En conclusion, la plupart des applications émergentes sont stratégiques pour la souveraineté économique de l’Union européenne et pour ses capacités de défense. Il est donc impératif de développer et de produire localement des batteries performantes et sûres, capables d’offrir une combinaison flexible de propriétés fonctionnelles (densité énergétique, densité de puissance, vitesse de charge, etc.) adaptées à chaque type d’utilisation. Dans cet esprit, les batteries de nouvelle génération, qu’elles soient entièrement solides (tout-SSB) ou semi-solides (semi-SSB), émergent comme des technologies prometteuses pour combler le fossé entre les besoins croissants et la faisabilité technologique. Cependant, plusieurs défis majeurs subsistent.
Tout d’abord, la concurrence internationale et avant tout la Chine, grâce à ses avancées technologiques et industrielles, impose déjà des normes et des objectifs en matière de conception et de sécurité des batteries, fixant ainsi le rythme mondial pour cette nouvelle génération. Deuxièmement, surmonter certains défis technologiques tels que : la conservation du contact entre les différentes couches lors des charges et décharges des cellules via une pression de maintien la plus basse possible afin de faciliter l’intégration des véhicules, l’amélioration des performances des matériaux utilisés (polymères céramiques), la réduction de leurs coûts, en particulier celui de la céramique, le développement d’un outil industriel adapté et enfin la confirmation de la contribution à la sécurité qui reste à démontrer.
Face à ces défis, les entreprises européennes doivent agir rapidement en accélérant la production de batteries lithium-ion européennes pour répondre aux besoins actuels et en développant un écosystème local dédié aux technologies de batteries tout-solide, afin d’assurer la souveraineté énergétique et de permettre aux acteurs européens de rester compétitifs. (Les auteurs tiennent à remercier Kevin Vattappara (CIDETEC Energy Storage) pour son aide dans la préparation des schémas.)