La batterie ininflammable

En 1997, la Mercedes-Benz Classe A a basculé hors du virage lors du test de l'élan. L'une des causes de ce fameux incident : la Classe A avait été conçue à l'origine comme une voiture électrique. En passant au moteur à combustion, la lourde batterie a été supprimée et le centre de gravité s'est déplacé trop haut.

La batterie qui aurait dû être installée dans la Classe A était une batterie dite «saline». Contrairement à la plupart des autres batteries, dans lesquelles la cathode et l'anode «flottent» dans un électrolyte liquide commun, l'électrolyte d'une batterie saline est un solide, à savoir un conducteur d'ions céramique à base d'alumine sodique. L'électrolyte solide est ininflammable et permet en outre de séparer l'anode de la cathode, ce qui augmente la durée de vie de la batterie. La cathode d'une batterie saline est basée sur un granulat de sel de cuisine et de poudre de nickel, l'anode métallique de sodium ne se forme que lors de la recharge.

Cette technologie de batterie n'a pas fait ses preuves pour l'électromobilité : Les voitures électriques actuelles fonctionnent avec des batteries au lithium-ion, qui sont plus légères et se chargent plus rapidement. Mais dans d'autres domaines d'application, la batterie au sel est supérieure à ses concurrentes au lithium-ion. C'est pourquoi les batteries au sel font aujourd'hui l'objet de recherches actives – entre autres à l'Empa.

Longévité et sécurité

La collaboration en matière de recherche a commencé en 2016, lorsque le fabricant tessinois de batteries au sel HORIEN Salt Battery Solutions, anciennement connu sous le nom de FZSoNick, s'est approché de l'Empa. Dans le cadre d'un projet Innosuisse, l'entreprise souhaitait améliorer l'électrolyte céramique à base d'alumine de sodium dans ses cellules de batterie. Il s'en est suivi d'autres projets sur la géométrie des cellules et l'électrochimie de la batterie saline, car celle-ci se distingue fortement des autres types de batteries. «L'assemblage de cellules de batteries salines à des fins de recherche est très complexe et il existe peu d'études sur leur fonctionnement exact. C'est ce qui rend ces projets si intéressants pour nous : nous pouvons apprendre beaucoup et développer notre compréhension en collaboration avec le partenaire industriel», explique la chercheuse de l'Empa Meike Heinz du département «Materials for Energy Conversion», dirigé par Corsin Battaglia.

La structure différente des cellules de la batterie au sel présente également quelques avantages par rapport aux batteries au lithium-ion. Par exemple en matière de sécurité : les batteries salines ont certes besoin d'une température de fonctionnement d'environ 300° Celsius, mais elles ne peuvent ni brûler ni exploser. C'est pourquoi elles sont utilisées dans des endroits où les batteries au lithium-ion ne sont pas autorisées, par exemple dans l'exploitation minière et la construction de tunnels ainsi que sur les plates-formes offshore d'extraction de pétrole et de gaz. Grâce à leur température de fonctionnement élevée, les batteries salines sont en outre beaucoup moins sensibles à la température que leurs homologues au lithium-ion. Cela en fait des accumulateurs de secours idéaux pour les infrastructures critiques, comme les antennes de téléphonie mobile. Même dans des endroits isolés et exposés, les batteries salines durables et sans entretien peuvent effectuer leur travail de manière fiable pendant des décennies.

Mais la température de fonctionnement est aussi un inconvénient de cette technologie de batterie : les batteries au sel ont besoin d'un «chauffage d'appoint» pour être opérationnelles. Mais une batterie qui a besoin d'électricité est-elle vraiment rentable ? «Selon l'application, il est plus économique de maintenir une batterie au chaud que de la refroidir», explique Meike Heinz. «Lors de la charge et de la décharge, la résistance naturelle des cellules génère de la chaleur. Dans un système optimal, une grande batterie peut ainsi s'auto-chauffer», ajoute Enea Svaluto-Ferro, chercheur à l'Empa.

Chimie des cellules pour l'avenir

En tant que chercheurs en matériaux, Meike Heinz et son équipe se concentrent sur la chimie des cellules. Les matières premières pour les batteries au sel sont pour la plupart bon marché et disponibles en grandes quantités. L'architecture de la cellule permet en outre un recyclage facile. Mais comme le nickel, le matériau de la cathode, est de plus en plus considéré comme critique, HORIEN et l'Empa ont entrepris, dans le cadre du projet «HiPerSoNick» soutenu par l'Office fédéral de l'énergie (OFEN), de réduire entre autres la teneur en nickel des cellules. Ce n'est pas une tâche facile, car pour obtenir une batterie saline efficace et durable, la composition et la microstructure dans la cellule doivent être très précisément adaptées l'une à l'autre.

Dans le cadre du projet européen «SOLSTICE», qui se poursuivra jusqu'au milieu de l'année 2025, HORIEN et l'Empa étudient, avec d'autres partenaires du projet, si le nickel pourrait même être entièrement remplacé par du zinc dans les batteries au sel. «Le point de fusion bas du zinc constitue toutefois un défi à la température de fonctionnement actuelle», explique Meike Heinz. Néanmoins, les chercheurs ont déjà pu trouver des approches prometteuses pour stabiliser la microstructure de la cathode.

D'autres projets de suivi sont déjà envisagés, dans lesquels les chercheurs de l'Empa tenteront d'améliorer encore les batteries au sel sans nickel – et de les mettre à l'échelle. En effet, grâce à leur sécurité, leur longue durée de vie et l'absence de matières premières critiques, les batteries au sel conviendraient parfaitement comme accumulateurs stationnaires. Si l'on parvient à produire des batteries au sel en grande quantité et à un prix avantageux, elles pourraient un jour alimenter en électricité non seulement des antennes de téléphonie mobile, mais aussi des zones résidentielles entières.