Plus d'énergie pour un poids identique : Fraunhofer optimise les cellules de batterie
Une nouvelle architecture de cellules vise à faciliter la mise en place par les PME de leur propre production de cellules de batterie en Allemagne
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En collaboration avec des partenaires issus de la recherche et de l’industrie, l’Institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires (ISE) a modifié la structure des électrodes des batteries afin que les cellules puissent stocker 10 à 15 % d’énergie en plus pour un poids identique. Pour y parvenir, ils ont plus que triplé l’épaisseur du revêtement des électrodes de batterie — par exemple dans les batteries lithium-ion —, ce qui réduit simultanément le nombre de collecteurs de courant dans la cellule. L’équipe de recherche a mis en œuvre cette nouvelle architecture d’électrodes dans des cellules lithium-ion de type « pouch » fabriquées selon des procédés industriels standard. De plus, elle a appliqué avec succès ce concept aux cellules de batterie au zinc-ion et au sodium-ion.
« Normalement, l’anode et la cathode – les deux électrodes d’une cellule de batterie – se composent de nombreuses couches minces alternées de revêtement d’électrode et de collecteurs de courant », explique le Dr Oliver Fitz, chef de groupe chargé de la technologie des cellules de batterie à l’Institut Fraunhofer ISE. « Nous avons réussi à augmenter l’épaisseur du revêtement d’électrode, qui passait ainsi de la norme habituelle de 100 à 200 micromètres à 800 micromètres, réduisant ainsi considérablement le nombre de collecteurs de courant nécessaires. Nous disposons ainsi de beaucoup plus d’espace pour le matériau actif, ce qui augmente la densité énergétique de 10 à 15 %, selon le type et la conception de la batterie. » L’équipe de recherche du Fraunhofer ISE a dans un premier temps validé expérimentalement la nouvelle architecture d’électrode pour les batteries zinc-ion, sodium-ion et lithium-ion à l’aide de petites cellules de batterie en laboratoire. Pour les batteries lithium-ion, elle a également fabriqué des prototypes de cellules de type « pouch » dotées de la structure d’électrode nouvellement développée sur une ligne de production semi-automatisée, dans la salle blanche moderne du laboratoire de production de matériaux et de cellules de batterie du Fraunhofer ISE. « Ce concept de cellule peut également être facilement adapté à d’autres chimies de cellules », ajoute Oliver Fitz.
Les électrodes des batteries sont exemptes de PFAS et sont fabriquées sans recourir à des solvants toxiques. La nouvelle architecture de cellule a été développée dans la perspective d’une future production de masse : une ligne de production d’électrodes potentielle présente une complexité de processus nettement inférieure à celle d’un système de revêtement humide de pointe. En conséquence, les coûts d’investissement sont considérablement réduits. Les coûts d’exploitation sont également réduits grâce à des besoins en espace et en énergie moindres. Cette technologie offre ainsi la possibilité, en particulier aux petites et moyennes entreprises, de mettre en place leurs propres sites de production de cellules de batterie en Allemagne. Les résultats du projet démontrent une approche prometteuse en vue de la future industrialisation de cette nouvelle architecture d’électrodes et de cellules. La société Helmut Hechinger GmbH & Co. KG soutient le consortium de recherche en tant que partenaire industriel et apporte son expertise en matière de fabrication. Le fabricant de machines acp systems AG – également partenaire du projet – développe les équipements destinés à la fabrication des électrodes. « Après avoir débuté en tant que fournisseur automobile traditionnel, nous nous diversifions depuis longtemps vers des marchés, des produits et des secteurs d’avenir », explique Markus Duffner, PDG de Hechinger. « Par exemple, nous réalisons déjà plus de 30 % de notre chiffre d’affaires dans le domaine de la mobilité électrique. Si les prochaines étapes de mise à l’échelle et de validation s’avèrent prometteuses tant en termes de coûts que de performances, nous pourrions envisager une industrialisation. Nous voyons un grand potentiel dans le Bade-Wurtemberg pour la production de batteries destinées au stockage stationnaire. »
« Dans un système énergétique neutre sur le plan climatique, avec des sources d’énergie fluctuantes comme le solaire et l’éolien, le stockage stationnaire par batterie est un élément essentiel pour couvrir les pics de consommation d’électricité du matin et du soir », déclare le professeur Andreas Bett, directeur du Fraunhofer ISE. « En Californie, par exemple, les systèmes de stockage par batterie fournissent déjà la majeure partie de l’électricité le soir. L’Allemagne aurait tout intérêt à développer ses capacités de production pour répondre à la demande croissante en batteries et ainsi créer de la valeur ajoutée sur son territoire. Si nous pouvons y contribuer, nous en serions très heureux. »
« Cette technologie est le fruit de nombreuses années de recherche au Fraunhofer ISE. Nous devons en partie notre succès, qui nous a permis d’atteindre cette étape clé du développement, aux financements accordés par le BMWE, le BMFTR et le ministère de l’Économie du Bade-Wurtemberg, ainsi qu’à la collaboration de confiance avec nos partenaires », déclare le Dr.-Ing. Daniel Biro, responsable du département Stockage d’énergie électrique au Fraunhofer ISE.
L’équipe de recherche a mis au point cette nouvelle conception d’électrode et de cellule dans le cadre des projets « VORAN – Stockage innovant par batterie au sodium-ion pour des applications stationnaires et mobiles » (jusqu’en juin 2027), « INFAB – Batteries au zinc-ion pour le stockage d’énergie stationnaire – Fabrication et assemblage » (achevé) et « WinZIB2 – Système innovant de batteries au zinc-ion déployable à l’échelle mondiale » (achevé), en collaboration avec les partenaires acp systems AG, Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, l’Institut de photovoltaïque (ipv) de l’université de Stuttgart et l’Institut de technologie de Karlsruhe/Institut Helmholtz d’Ulm. Le ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie (BMWE) a financé les travaux de recherche menés dans le cadre des projets VORAN et InFAB, tandis que le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) a financé le projet WinZIB2.
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