Technologie de production pour batteries solides

Électrode céramique multicouche pour les premiers tests de fonctionnement. © Fraunhofer IPA/Photo : Inga Landwehr

Au centre de production de cellules de batteries digitalisées du Fraunhofer IPA, la technique de procédé pour les batteries solides du futur est développée en collaboration avec les PME Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH et Dr. Fritsch GmbH & Co KG. Le Land de Bade-Wurtemberg finance le projet de recherche à hauteur de plus d’un million d’euros.

»Les batteries à l’état solide ont le potentiel de remplacer la technologie de batterie actuelle«, affirme Carsten Glanz. Le chef de groupe pour la technique d’application des matériaux fonctionnels à l’Institut Fraunhofer pour la technologie de production et l’automatisation IPA souhaite, avec une équipe de chercheurs et deux PME de Bade-Wurtemberg, créer les conditions pour une fabrication automatisée de stockages d’énergie de haute qualité.

Comparées aux batteries lithium-ion actuelles, les batteries à l’état solide présentent plusieurs avantages : une sécurité accrue — car aucun électrolyte liquide n’est nécessaire, il n’y a donc pas de risque de fuite ou d’incendie. S’y ajoutent une densité d’énergie plus élevée et une durée de vie plus longue.

La technologie en est encore à ses débuts. »Les batteries à l’état solide avec une couche d’électrolyte en céramique, par exemple, n’ont été fabriquées jusqu’à présent qu’à l’échelle du laboratoire. La possibilité de passer à une production à grande échelle — c’est-à-dire de transférer ces résultats à une fabrication en série — reste totalement inconnue«, explique Glanz.

Dans le cadre du projet »Recherche de nouvelles technologies de mélange et de sintering pour des électrolytes céramiques à gradation«, abrégé EMSig, l’ingénieur souhaite maintenant, avec deux partenaires industriels, développer et optimiser une chaîne de processus pour la fabrication à grande échelle de batteries avec des électrolytes céramiques à l’état solide : »Nous disposons à l’IPA d’une grande expérience en automatisation dans la fabrication de batteries grâce au Centre pour la production de cellules de batteries digitalisées, et nos partenaires de coopération possèdent un savoir-faire approfondi en ce qui concerne la fabrication, la fonctionnalisation, la manipulation et le sintering de poudres.«

»Dr. Fritsch GmbH & Co KG fournira et modifiera la poudre de départ céramique nécessaire à la fabrication des électrolytes céramiques«, informe Ute Wilkinson, directrice générale de Dr. Fritsch. »Nous avons la compétence pour produire et analyser des matériaux sur mesure.« Le deuxième partenaire est la Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, un fabricant international de machines pour le mélange, le dosage et le pressage par sintering de poudres. L’entreprise a une longue tradition dans la manipulation innovante des poudres et dans la technique du sintering. Ainsi, de nouvelles méthodes de production peuvent être immédiatement intégrées dans les machines nécessaires. Au cœur du processus de production, il s’agira de faire évoluer des installations de sintering innovantes FAST / SPS. Dr. Fritsch est le principal fabricant mondial de telles machines FAST / SPS, avec plus de 1000 installations de sintering en service.

Transition douce plutôt que frontières rigides

Un défi particulier dans la fabrication de batteries à l’état solide concerne les transitions de matériaux : des frontières nettes entre les différentes couches de la batterie peuvent conduire à une mauvaise conduction des ions. En raison de différences d’expansion thermique, il peut même y avoir des ruptures le long des interfaces.

La solution : des frontières fluides. »Nous savons, d’après des essais en laboratoire, que les tensions peuvent être évitées par des transitions graduelles entre l’électrolyte céramique à l’état solide et les électrodes«, rapporte Glanz. »Il restait cependant à déterminer comment réaliser ces transitions de tension de manière procédée.«

L’objectif du projet EMSig est de construire une installation de démonstration dans laquelle des batteries à l’état solide sont construites couche par couche à partir de poudres homogènes extrêmement fines, dont la composition change à chaque couche : par exemple, lors de la transition entre l’électrode et l’électrolyte, on ajoute progressivement plus de poudre de céramique — 25, 50, 75 et enfin 100 %.

En deux ans, l’ensemble du processus de production doit être suffisamment mature pour être utilisé par l’industrie pour la fabrication de batteries à grande échelle. Le projet EMSig est soutenu par le Land de Bade-Wurtemberg à hauteur de 1,164 million d’euros.

Fiche technique

Projet : »Recherche de nouvelles technologies de mélange et de sintering pour des électrolytes céramiques à gradation (EMSig)«
Partenaires du projet : Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Durée du projet : du 15.9.2021 au 14.9.2023
Montant du financement : 1,164 million d’euros
Organisme de financement : Land de Bade-Wurtemberg
Numéro de référence : BW1_0163/03