Le Fraunhofer ISE optimise les cellules de batterie : plus d’énergie pour un poids identique

Image : Fraunhofer ISE

En collaboration avec des partenaires issus de la recherche et de l’industrie, l’institut Fraunhofer ISE pour les systèmes d’énergie solaire a modifié la structure des électrodes dans les batteries de manière à ce que ces dernières puissent stocker de 10 à 15 pour cent plus d’énergie pour un poids identique. Ils y sont parvenus en augmentant de plus du triple l’épaisseur des revêtements des électrodes des batteries – par exemple celles à ions de lithium – ce qui a simultanément permis de réduire le nombre de conducteurs électriques au sein de la cellule.

D’après un communiqué, l’équipe de recherche a mis en œuvre la nouvelle architecture d’électrodes dans des cellules à ions de lithium de type pouch, fabriquées selon des méthodes proches de l’industrie. De plus, ils ont réussi à transposer ce concept aux cellules à ions de zinc et d’sodium.

« Normalement, l’anode et la cathode – les deux électrodes d’une cellule batterie – sont composées de très nombreuses couches fines alternant revêtements d’électrodes et conducteurs électriques », explique Oliver Fitz, chef du groupe de recherche sur la technologie des cellules batterie au Fraunhofer ISE. « Nous avons réussi à augmenter l’épaisseur des revêtements d’électrodes, qui était habituellement de 100 à 200 micromètres, jusqu’à 800 micromètres, ce qui permet de réduire considérablement le nombre de conducteurs électriques nécessaires. En conséquence, nous disposons 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 d’abord validé la nouvelle architecture des électrodes pour les batteries à ions de zinc, de sodium et de lithium par des essais expérimentaux sur de petites cellules électriques en laboratoire. Pour les batteries à ions de lithium, ils ont également fabriqué des prototypes de cellules de type pouch utilisant cette nouvelle structure d’électrodes, sur une ligne de production semi-automatique située dans le laboratoire moderne dédié aux matériaux et à la production de cellules au Fraunhofer ISE. « Ce concept de cellule peut être facilement adapté à d’autres types de chimies cellulaires », ajoute Oliver Fitz.

Les électrodes des batteries ne contiennent pas de PFAS et leur fabrication ne nécessite pas d’agents solvants toxiques. Lors du développement de la nouvelle architecture des cellules, une production en série ultérieure a été prise en compte : selon les chercheurs, une ligne de fabrication d’électrodes potentielle présente une complexité de processus nettement inférieure par rapport à un système de revêtement humide selon les technologies actuelles. Cela permet de réduire considérablement les coûts d’investissement. Les coûts de fonctionnement sont également diminués en raison des besoins réduits en espace et en énergie. Cette technologie vise à offrir aux petites et moyennes entreprises, en particulier, la possibilité de créer leur propre usine de fabrication de cellules batterie en Allemagne.

« Dans un système énergétique neutre en termes de climat, où les sources d’énergie solaire et éolienne sont fluctuantes, les batteries stationnaires constituent un élément essentiel pour faire face aux pics de consommation du matin et du soir », déclare Andreas Bett, directeur de l’institut Fraunhofer ISE. « En Californie, par exemple, les batteries fournissent déjà en grande partie l’électricité le soir. L’Allemagne ferait bien de développer des capacités de production pour répondre à la demande croissante en batteries et ainsi créer de la valeur dans le pays. Si nous pouvons y contribuer, cela nous rend très heureux. »

L’équipe de recherche a développé la nouvelle structure des électrodes ou des cellules dans le cadre des projets « VORAN – Stockage innovant d’ions sodium pour des applications stationnaires et mobiles » (en cours jusqu’en juin 2027), « INFAB – Batteries à ions zinc pour le stockage d’énergie stationnaire – Fabrication et assemblage » (terminé) ainsi que « WinZIB2 – Système de batteries à ions zinc innovant pouvant être utilisé dans le monde entier » (terminé), en collaboration avec les partenaires acp systems AG, Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, l’Université de Stuttgart – Institut pour la photovoltaïque (ipv) et le Karlsruher Institut für Technologie/Helmholtz-Institut Ulm. Le Ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie BMWE a financé la recherche dans les projets VORAN et InFAB, tandis que le Ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche BMBF a soutenu le projet WinZIB2.

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Au sujet de l’auteur

Thomas Langenbucher est un expert en mobilité électrique ayant travaillé dans l’industrie automobile et le secteur financier. Depuis 2011, il écrit sur ecomento.de à propos des voitures électriques, des technologies durables et des solutions de mobilité. En savoir plus.

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