Le 15 février, lors du All-solid-state battery innovation and development summit forum en Chine, le géant chinois de la voiture électrique BYD a annoncé qu’il commencerait, dès 2027, la production de masse de sa nouvelle batterie tout-solide à base d’électrolyte sulfuré. Une déclaration qui s’ajoute à celles du taïwanais ProLogium, dont la gigafactory devrait être mise en service à Dunkerque (Nord) en 2027, et du français Blue Solutions, qui prévoit d’ouvrir la sienne dans le Grand Est en 2030.
Cette frénésie va à l’encontre de la prudence affichée des chercheurs qui envisagent, dans le meilleur des cas, une commercialisation de ce type de batteries vers 2040. Comment l’expliquer ? Assez simplement, selon Jean-Marie Tarascon, professeur au Collège de France, titulaire de la chaire Chimie du solide et énergie : « Ces annonces ne portent pas sur de vraies batteries tout-solide. Mais avec tout l’enthousiasme qu’elles suscitent, les industriels perdent patience. Donc, automatiquement, on essaie de trouver un compromis. »
Cet arrangement repose sur des batteries hybrides, c’est-à-dire qui contiennent, en plus d’un électrolyte solide céramique, de petites quantités de liquides ou de polymères. Il existe une myriade de propositions « plus ou moins solides », comme le précise Olivier Guillon, le directeur de l’Institute of energy materials and devices au centre de recherche de Jülich, en Allemagne : « Dans les batteries lithium-ion, il y a environ 25 % de liquide. Et toutes les options qui sont présentées comme solides, en réalité, comprennent entre 0 % et 25 % de liquide : les électrolytes sont alors plus ou moins liquides, plus ou moins visqueux, et peuvent être des polymères, des gels, des liquides confinés. »
Un bond en densité énergétique
L’ajout de liquide a différentes vertus, à commencer par une meilleure conductivité ionique et l’amélioration de l’interface entre les électrodes et l’électrolyte. Plus particulièrement, cela facilite la gestion de l’interface avec une anode en lithium métal, la seule qui permette réellement de faire un bond de plusieurs dizaines de pourcents en densité énergétique. Certains, à l’image du français Blue Solutions, un pionnier, se passent totalement d’électrolyte céramique et misent uniquement sur un polymère pur pour le développement de leurs batteries.
Ces compromis ont-ils un impact sur les performances ? Pas vraiment, selon Vincent Yang, le PDG de ProLogium. L’entreprise, qui a inauguré sa première gigafactory à Taïwan début 2024, produit déjà sa troisième génération de batterie tout-solide. Cette technologie hybride intègre un séparateur en électrolyte d’oxyde à l’état solide, un électrolyte organique comportant 10 % de liquide et une anode en silicium pur. Une batterie qui obtient de très bons résultats. « Sa densité d’énergie, qui a été testée par le TÜV Rheinland en décembre, atteint 359 Wh/kg [contre 250 Wh/kg pour une batterie Li-ion classique, ndlr]. Et nous sommes capables de faire de la charge rapide, de 5 à 80 % en seulement huit minutes et demie, et de 5 à 60 % en cinq minutes. »
Le taïwanais ne compte pas s’arrêter là. La société travaille déjà sur la quatrième génération qui intégrera une anode en lithium métal et un électrolyte 100 % inorganique, inspiré du comportement des fluides non newtoniens. « Nous avons mis au point un superfluide qui devient liquide sous pression, alors qu’il est solide au repos », précise encore Vincent Yang. Selon lui, cela répond à la problématique rencontrée avec les électrolytes à base de sulfure, sur lesquels on doit appliquer une forte pression pour assurer un contact optimal avec le matériau cathodique actif (comme le NCM) et les matériaux anodiques actifs (comme le silicium et le lithium métal). Cette nouvelle génération promet une densité d’énergie de 420 à 480 Wh/kg. La recharge, elle, est toujours ultrarapide, quel que soit le matériau de l’anode (de 5 à 80 % en un peu moins de six minutes et demie).
Côté chinois, le leader mondial de la batterie CATL, lui aussi lancé dans la course à la batterie tout-solide, annonce des densités encore plus impressionnantes. Elles atteindraient 500 Wh/kg pour ses batteries à base d’électrolyte sulfure, dont la production devrait commencer à petite échelle en 2027. Difficile, cependant, d’en savoir plus sur la technologie précise, même s’il est fort probable qu’elle intègre aussi une part de liquide. Quant à l’américain QuantumScape, il affiche des ambitions plus modestes. Il mise sur une technologie dite anode free à base d’oxyde et contenant aussi un pourcentage de liquide – l’anode en lithium métal se forme lors de la première décharge. Sa densité énergétique serait de 300 Wh/kg, mais avec un temps de recharge inférieur à quinze minutes.
Mais toutes ces performances alléchantes se heurtent à la question du prix. C’est tout un système de production qu’il faudra repenser. Impossible d’utiliser les lignes des gigafactories qui se lancent actuellement dans la production en masse de batteries Li-ion à électrolyte liquide. Une contrainte à laquelle devrait échapper Blue Solutions avec ses batteries tout-solide à base de polymère et d’anode en lithium-métal. L’entreprise française commercialise déjà les premières générations destinées à la mobilité lourde ou à usage intensif depuis une vingtaine d’années. Jusqu’à présent, ces dernières avaient deux limites principales : « Les batteries de deuxième et troisième générations que nous avons produites ne fonctionnent pas à température ambiante. Il faut les chauffer à 80° C. Ce n’est pas un problème dans le cadre d’un usage intensif : elles sont utilisées tous les jours et se maintiennent à température. En revanche, pour une citadine à destination du grand public, leur consommation d’énergie est trop importante. L’autre frein est qu’elles sont incapables de gérer la charge rapide. Il leur faut environ cinq heures... », détaille Jean-Baptiste Behaghel, le directeur général adjoint de Blue Solutions.
Le choix pragmatique du bon polymère
Mais tout ceci changera avec la quatrième génération. « En 2020, nous avons réussi une rupture technologique en identifiant un nouveau polymère. Celui-ci fonctionne à température ambiante, avec tous les matériaux de cathode (contrairement aux précédentes générations qui n’acceptaient que le lithium-fer-phosphate), et dont la densité énergétique est 40 à 50 % supérieure à celle des batteries Li-ion. Cette batterie est capable de faire de la charge rapide, en vingt minutes », souligne Jean-Baptiste Behaghel, qui précise : « ce choix du polymère est bien sûr lié à notre expérience, mais il est aussi pragmatique. Ce n’est pas le plus sexy, mais il répond aux attentes des constructeurs automobiles. Et nous saurons l’industrialiser. »
Le dirigeant reste néanmoins conscient que le coût de ces batteries restera malgré tout plus élevé que le lithium-ion : « Fabriquer une batterie tout-solide est beaucoup plus complexe qu’une batterie Li-ion. L’une des raisons est la difficulté à usiner l’anode en lithium métal et de s’assurer d’une interface parfaite. » Mais le coût devrait diminuer lorsque la production montera en cadence, puisque moins d’étapes seront nécessaires pour la fabrication, entraînant ainsi une consommation d’énergie plus faible pour la gigafactory. Jean-Baptiste Behaghel estime ainsi atteindre des coûts plus ou moins équivalents à ceux des batteries Li-ion dans le courant de la prochaine décennie. Les batteries hybrides seraient alors les plus abordables.
En attendant, tous peuvent compter sur l’implication des différents constructeurs automobiles, signe de l’intérêt suscité par ces nouveaux produits. ProLogium, dont la future usine à Dunkerque doit atteindre une capacité de 2 GWh en 2027, a reçu en 2022 un investissement de 100 millions d’euros de la part de Mercedes-Benz.
De son côté, Blue Solutions dispose « de cinq accords de développement, dont l’un avec BMW et leur partenariat avec le taïwanais Foxconn, qui fabrique ses propres véhicules électriques », indique Jean-Baptiste Behaghel. Ses batteries pourraient équiper 250 000 véhicules par an (soit une capacité de 25 GWh). Quant à QuantumScape, partenaire de longue date de Volkswagen, il a accordé, en juillet, à PowerCo, le producteur de batteries du constructeur automobile allemand, une licence pour produire massivement (40 GWh par an au début) des cellules de batteries incluant leur technologie. À quel horizon ? Pour le moment, l’histoire ne le dit pas.
ProLogium (Taïwan)
Cette entreprise fondée par Vincent Yang fait figure de pionnière, avec ses batteries hybrides intégrant un électrolyte céramique à base de sulfure. En janvier 2024, elle a inauguré sa première gigafactory à Taoke, près de Taipei, d’une capacité de production de 0,5 GWh, et dont l’ambition est d’atteindre 2 GWh. Sa future gigafactory dunkerquoise pourrait, quant à elle, avoir, à terme, une capacité de 48 GWh par an.
BYD (Chine)
Créé par Wang Chuanfu, le fabricant de batteries a élargi son activité à l’automobile en 2023 avec le rachat de la Tsinchuan Automobile Company. BYD s’est depuis imposé en tant que constructeur de véhicules électriques, réussissant même à dépasser Tesla au quatrième trimestre 2023. La société s’est, elle aussi, lancée dans la course à la batterie tout-solide à base d’électrolyte sulfure, dont elle devrait commencer la production de masse en 2027.
CATL (Chine)
Le premier producteur mondial de batteries Li-ion, fondé par Zeng Yuqun, développe une technologie de batterie tout-solide à base d’électrolyte sulfure. Il espère faire passer cette technologie d’un niveau TRL 4 à un niveau 7-8 en 2027, lorsque ces batteries seront produites en petites séries.
Blue Solutions (France et Canada)
La filiale de Bolloré est le spécialiste de la batterie tout-solide lithium-métal polymère, produite dans les usines du groupe en Bretagne et près de Montréal. Avant de lancer sa gigafactory, à l’horizon 2030, Blue Solutions prévoit de construire une ligne prépilote dans chacun de ses sites en 2026, puis une ligne pilote en Bretagne en 2027.
QuantumScape (États-Unis)
La société californienne, créée par Jagdeep Singh, Tim Holme et Fritz Prinz, professeur à l’université de Stanford, travaille au développement de batteries tout-solide hybride intégrant un électrolyte céramique à base d’oxyde et une anode en lithium métal. Elle peut compter sur le large soutien financier du constructeur automobile Volkswagen, qui devrait par ailleurs faire produire ses batteries par son partenaire PowerCo.
