Nouveaux matériaux de batterie sur mesure
Matériaux de batterie innovants pour un stockage sûr et durable de l'énergie
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Les batteries doivent être puissantes, sûres et durables, tout en étant rentables à produire. À l'occasion d'InterBattery 2026 à Séoul, l'Institut Fraunhofer pour la recherche appliquée sur les polymères IAP présentera de nouveaux matériaux pour les batteries de la prochaine génération. L'accent sera mis sur les électrolytes, membranes et séparateurs polymères sur mesure, les matériaux carbonés biosourcés et les catalyseurs haute performance - développés pour des applications industrielles tout au long de la chaîne de valeur.
Les matériaux déterminent la performance et la sécurité
Qu'il s'agisse de véhicules électriques, de systèmes de stockage d'énergie stationnaires ou d'appareils électroniques portables, la densité énergétique, la capacité de charge rapide, la durée de vie et la sécurité d'une batterie sont largement déterminées par ses matériaux. Les chercheurs du Fraunhofer IAP, dans le parc scientifique de Potsdam, développent de nouveaux matériaux de batterie sur mesure et mettent en commun leur expertise en matière de chimie des polymères, de traitement des membranes et des séparateurs, de développement de matériaux carbonés biosourcés et sur mesure, de production de catalyseurs et de mise à l'échelle. "L'objectif est de créer une plateforme de matériaux intégrée, de la synthèse et de la mise à l'échelle à la production de prototypes et à la caractérisation. Nous soutenons les entreprises depuis l'idée initiale jusqu'à la transition vers des échelles plus grandes", explique le Dr Benjamin Heyne, directeur du département Energy Materials du Fraunhofer IAP.
Les électrolytes solides comme alternative
Les batteries conventionnelles sont principalement basées sur des électrolytes liquides, qui présentent des risques de sécurité en cas d'endommagement et sont limités dans leur plage de température. C'est pourquoi le Fraunhofer IAP met au point des électrolytes polymères solides. Ceux-ci permettent un transport efficace des ions, sont mécaniquement stables, non volatiles et offrent des propriétés thermiques améliorées. Certains des systèmes développés atteignent déjà des conductivités ioniques élevées de >10-4 S/cm à température ambiante. Les propriétés mécaniques, thermiques et électrochimiques peuvent être ajustées avec précision par une modification moléculaire ciblée. Les matériaux sont compatibles avec divers systèmes de batteries, notamment les batteries sodium-ion, zinc-air et lithium-ion. Outre les électrolytes polymères purs, des électrolytes composites polymères sont également créés, combinant des composants organiques et inorganiques. Cela permet d'optimiser davantage la conductivité, la stabilité et la sécurité. Des cathodes composites à base de polymères sont également en cours de développement. Il s'agit de combiner un matériau cathodique, tel que le phosphate de sodium et de vanadium (NVP), avec la matrice polymère. Comme la matrice polymère utilisée est la même que celle de l'électrolyte polymère, les résistances d'interface entre la cathode et l'électrolyte polymère solide peuvent être évitées. Les deux couches se lient mieux et, dans le cas idéal, peuvent même être liées l'une à l'autre de manière covalente.
Membranes et séparateurs sans PFAS
Les membranes et les séparateurs jouent un rôle clé dans la sécurité et la fonctionnalité des batteries. Ils séparent les électrodes les unes des autres tout en permettant un transport sélectif des ions. Le Fraunhofer IAP développe des séparateurs chimiquement et mécaniquement stables dont l'architecture des pores est spécifiquement ajustable. La taille des pores et la porosité peuvent être adaptées à des exigences spécifiques. L'accent est mis sur les solutions exemptes de PFAS, car ces substances peu dégradables font l'objet de critiques croissantes. Les matériaux sans PFAS faciliteront l'approbation de nouveaux systèmes de batteries à l'avenir. Ils sont non seulement plus respectueux de l'environnement, mais aussi plus puissants et plus durables. "Nos matériaux peuvent être intégrés dans les processus de production existants et contribuent en même temps à améliorer la stabilité et la cyclabilité des cellules", explique le Dr Murat Tutus, chef du département Membranes et séparateurs au Fraunhofer IAP.
Matériaux de carbone et catalyseurs biosourcés sans éléments critiques
Le Fraunhofer IAP développe des matériaux carbonés biosourcés pour les électrodes, à partir de matières premières renouvelables telles que la cellulose et la lignine. Outre les avantages économiques et écologiques qu'ils présentent, ces matériaux offrent également un large éventail de possibilités pour la formation de structures. Lors de la production des précurseurs et de la carbonisation, les propriétés telles que la structure des pores, la surface spécifique, la conductivité électrique et thermique, la pureté chimique et la fonctionnalisation peuvent être ajustées de manière spécifique. Cela permet d'optimiser la structure des électrodes, d'intégrer de nouvelles fonctions et de remplacer partiellement les matières premières fossiles.
Dans le domaine des catalyseurs, l'objectif est de réduire considérablement l'utilisation d'éléments critiques tout en garantissant une activité catalytique élevée et une stabilité à long terme. La taille des particules, la chimie de surface et les propriétés structurelles sont contrôlées avec précision pour permettre des processus industriels reproductibles. "L'essentiel est que nous puissions ajuster précisément la structure et la surface. Cela permet d'obtenir des matériaux aux propriétés définies qui sont évolutifs et peuvent être intégrés de manière fiable dans les processus de fabrication industrielle", explique Christoph Gimmler, directeur du département Énergie et matériaux structurels à l'échelle nanométrique du Fraunhofer IAP.
Du développement à l'application
Les matériaux sont actuellement à un stade avancé de développement. Des échantillons fonctionnels sont disponibles à l'échelle du laboratoire et les premiers essais sur des cellules de batterie complètes sont en cours. Les activités sont également ancrées dans le groupe de travail sur le développement de matériaux pour le stockage de l'énergie et ses applications (AK-MEA). Le passage à des échelles de production plus importantes se fait en étroite collaboration avec des partenaires industriels. Dans le cadre d'InterBattery, l'institut cherche spécifiquement à s'engager avec des partenaires internationaux pour le développement conjoint de catalyseurs innovants et performants, de matériaux conducteurs d'ions et de systèmes membranaires pour des applications dans le domaine des batteries et de l'hydrogène. Grâce à ses développements, le Fraunhofer IAP contribue à rendre les batteries plus sûres, plus durables et plus viables, et à permettre aux clients d'atteindre plus rapidement le stade de la commercialisation.
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