Le ZSW annonce que son installation pilote pour les matériaux de cathode est pleinement opérationnelle.

Le Centre de recherche sur l’énergie solaire et l’hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW) a mis en service une installation pilote à Ulm, capable de passer les matériaux de cathode pour batteries du stade de laboratoire à des quantités allant jusqu’à 100 kilogrammes dans des conditions réelles.

La ligne pilote du ZSW à Ulm est désormais pleinement opérationnelle.

Le ZSW souligne que cette ligne pilote, nommée « Powder-Up ! », est la première installation indépendante en Allemagne capable d’augmenter à cette échelle la production de matériaux de cathode pour batteries en partant du laboratoire. Elle a été financée par des subventions fédérales et régionales du Bade-Wurtemberg et est désormais à la disposition de l’industrie ainsi que des chercheurs.

Le ZSW souligne en outre que les matériaux de cathode « déterminent dans une large mesure les performances et la sécurité des batteries haute performance ». Il s’agit cependant d’un défi majeur de transférer les avancées de la recherche vers la production industrielle de cellules. C’est ce que doit permettre la nouvelle ligne pilote, qui couvre selon ses responsables l’ensemble de la chaîne de traitement, de la synthèse à l’analyse et au contrôle qualité. Elle intègre également une gestion numérique des processus ainsi qu’une analyse hautement automatisée, ce qui doit accélérer les cycles de développement et fournir des données pour des applications d’IA.

« Celui qui souhaite produire des cellules de batterie de manière compétitive en Allemagne et en Europe a besoin d’accéder aux meilleurs matériaux », commente le prof. Dr. Markus Hölzle, membre du conseil d’administration du ZSW et directeur de la division des technologies énergétiques électrochimiques à Ulm. « Avec Powder-Up!, les entreprises peuvent valider leurs propres concepts de matériaux en conditions industrielles, développer conjointement de nouvelles méthodes de synthèse ou tirer parti de la plateforme numérique de données. Le ZSW devient ainsi le interlocuteur national pour tous ceux qui souhaitent créer des matériaux améliorés pour les batteries et les préparer à la production de masse. »

Comme on le sait, les matériaux de cathode constituent le pôle positif des batteries. Cependant, selon ZSW, ils représentent notamment dans les batteries au lithium-ion la composante la plus chère et la plus préjudiciable pour l’environnement. En effet, en plus du lithium, ils contiennent d’autres matières premières critiques telles que le nickel ou le cobalt. De plus : « Comme ils sont insubstituables dans la batterie, les matériaux de cathode font l’objet d’un développement constant. C’est pourquoi Ulm se concentre sur les matériaux de cathode NMC. […] En ajustant de manière ciblée la proportion de nickel, de manganèse et de cobalt, il est possible d’équilibrer la capacité énergétique, la durée de vie, la stabilité et les coûts pour différentes applications », indique un communiqué accompagnant.

D’après le ZSW, peu de temps après la mise en service de la ligne pilote, il a été possible d’augmenter l’échelle des premiers échantillons de matériaux, allant de quelques grammes à une masse de 15 kilogrammes. Une étape importante dans ce processus est le traitement thermique des matériaux à des températures comprises entre 600 et 1 000 degrés Celsius, la température devant être maintenue avec une grande précision. À cette fin, l’installation dispose de fours spécialisés qui reproduisent avec précision les processus industriels.

Actuellement, les travaux à Ulm se concentrent également sur une deuxième catégorie de matériaux cathodiques : le phosphate de fer et de lithium (LFP). Selon le ZSW, des quantités à l’échelle du kilogramme sont déjà produites dans ce domaine. Un autre sujet important mentionné par les initiateurs concerne les matériaux destinés aux batteries à ions sodium.

En principe, la ligne pilote couvre une superficie utile d’environ 2 400 mètres carrés et regroupe plus de 135 installations et équipements sous un même toit. Cette infrastructure permet tant le développement de matériaux que l’échellelement, du format de dix grammes à celui de 100 kilogrammes. Des appareils spécialement conçus facilitent également le développement de ce qu’on appelle des routes de synthèse selon une méthode à haut débit, qui permet de tester de nombreuses variantes en parallèle et de les optimiser rapidement.

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La caractérisation des matériaux s’effectue à Ulm au moyen de méthodes très avancées telles que la microscopie électronique à balayage (SEM), l’analyse par ionisation focalisée couplée à une microscopie électronique à balayage pour des analyses haute résolution (FIB-SEM), l’analyse par rayons X à dispersion d’énergie (EDX), la spectroscopie Raman, la microscopie à force atomique (AFM), l’analyse par fluorescence X (RFA) et la diffraction des rayons X sur poudre (XRD). Selon les responsables, toutes ces méthodes permettent une analyse détaillée de la structure, de la composition et des propriétés des matériaux. L’essai électrochimique a lieu dans des piles bouton, également fabriquées au ZSW et testées au sein du centre d’essai de batteries propre à l’institution. Tous les données issues de la synthèse et des essais sont ensuite enregistrées numériquement et intégrées directement dans le développement ultérieur des matériaux. Cela permettrait d’accélérer considérablement les cycles de développement et d’améliorer les résultats.

Il est possible de l’optimiser davantage.

Comme mentionné au début, l’installation pilote a été mise en place grâce aux fonds du Ministère fédéral de la Recherche, de la Technologie et de l’Aérospatiale (BMFTR) ainsi que du Land de Bade-Wurtemberg. Ce dernier a financé le bâtiment pour environ 10 millions d’euros, tandis que l’État fédéral a soutenu la technologie de l’installation ainsi que les infrastructures nécessaires pour environ 24 millions d’euros. La construction a débuté au début de 2022. Après l’acquisition des matériaux, la construction et l’installation, l’installation a été inaugurée trois ans plus tard, en mars 2025. Ce n’est que maintenant qu’elle fonctionne à pleine capacité. En 2024, electrive avait déjà rapporté sur cette ligne pilote.

Dorothee Bär, ministre fédérale de la Recherche, de la Technologie et de l’Aérospatiale, s’exprime ainsi sur le déploiement complet : « Mon objectif est que les technologies et matériaux de batteries ne restent pas seulement des concepts en laboratoire. Il faut plutôt qu’ils donnent naissance à des produits concrets – c’est l’objectif principal de l’Agenda High-Tech Allemagne. » Avec Powder-Up!, son ministère a investi de manière ciblée avec le Land de Bade-Wurtemberg afin de rendre plus rapidement économiquement exploitables de nouveaux matériaux cathodiques pour les batteries. « Ainsi, nous accélérons délibérément le transfert du laboratoire à l’application industrielle – afin que la technologie des batteries “Made in Germany” devienne un gage de qualité. »