Des batteries à électrolyte solide imprimées en 3D pour améliorer les performances des véhicules électriques

voiture électrique

L’impression 3D pourrait à nouveau jouer un rôle dans l’amélioration des performances des véhicules. Musashi, un fabricant japonais de véhicules automobiles, a en effet annoncé un partenariat avec une jeune pousse américaine du nom de KeraCel dans le but de développer et mettre sur le marché des batteries solides imprimées en 3D. Musashi parle d’un financement qui permettrait de faire évoluer ses batteries imprimées en 3D en vue d’une production à grand volume. Les partenaires se concentreront dans un premier temps sur l’industrie de la moto électrique, pour explorer ensuite plus largement le secteur de l’automobile électrique.

Née en 2016, KeraCel est une start-up implantée dans la Silicon Valley qui a inventé un nouveau type de batterie qui serait capable de fournir deux fois plus d’énergie que les batteries lithium-ion actuelles, et pour un coût deux fois moindre. Le temps de déchargement serait lui aussi réduit de moitié et l’absence de liquide inflammable permettrait de diminuer les risques d’explosion et d’incendie.

Utilisateur historique de la fabrication additive, le secteur automobile n’utilise plus uniquement cette technologie pour faire du prototypage, mais aussi de manière directe pour améliorer la performance de ses véhicules. Parce que l’allégement du poids des structures et carrosseries des voitures électriques est un élément clef de leur durée d’autonomie, de nombreux constructeurs ont recours à l’impression 3D. Le géant américain General Motors par exemple, mise sur l’impression 3D et le design génératif pour améliorer le rendement énergétique de ses véhicules en créant des pièces plus légères mais aussi moins chères. La Firme Local Motors utilise quant à elle une imprimante 3D à grande échelle pour fabriquer son mini bus électrique autonome.

Les rares cas d’applications de l’impression 3D dans ce domaine se limitaient jusqu’alors à l’utilisation de filaments conducteurs. En 2014 Graphene3D Lab avait mis au point un matériau à base de graphène permettant la fabrication de batteries personnalisées et sur-mesure, directement intégrables à un objet lors de son impression.

« 1200Whr / lt, soit environ le double de celle des batteries lithium-ion actuelles »

Comparaison entre des batteries à lithium-ion et solides

Comparaison entre des batteries à lithium-ion et les batteries solides. Image via Toyota.

Une batterie solide fonctionne très différemment des batteries Lithium-ion qui équipent aujourd’hui la majorité des véhicules électriques. Ces dernières utilisent en effet du graphite comme matériau anodique, ainsi qu’un électrolyte liquide organique inflammable imbibé d’une membrane poreuse mince. Appelé séparateur, comme son nom l’indique celui-ci permet de séparer la cathode de l’anode, mais aussi de transporter des ions lithium.

Dans le cas d’une batterie solide, ce liquide est remplacé par un composé inorganique solide. CeraKel a développé un procédé d’impression 3D qui permettrait en fait de combiner des électrolytes à base de céramique et des anodes en lithium métal. Il serait ainsi possible de produire des piles de pratiquement n’importe quelle forme ou taille, pour un large éventail d’industries et d’applications. Grâce à ce système, les couches de matériau céramique sont extrêmement minces, ce qui permet de réduire la quantité de matériau inactif en hauteur et d’augmenter dans le même temps le potentiel de densité énergétique. De ce fait la batterie double son énergie, pour un coût deux fois moins élevé par rapport aux batteries lithium-ion actuelles.

La société déclare à ce propos : « La densité d’énergie cible de Keracel pour sa batterie de 1re génération est de 1200Whr / lt, soit environ le double de celle des batteries lithium-ion actuelles. Les réalisations récentes en matière d’impression de couches minces permettront d’atteindre une densité d’énergie de 1000 Whr / lt. Keracel s’attend à de nouvelles améliorations de l’épaisseur de la couche grâce à des améliorations de la technologie de processus de fabrication. »

Comme on pouvait s’y attendre KeraCel reste très discret quant au fonctionnement de son système de fabrication additive céramique. Rien d’étonnant au vue du marché potentiellement gigantesque que représentent les batteries et des enjeux fondamentaux pour la mobilité électrique. La grande majorité des constructeurs automobiles ont déjà réalisé des partenariats avec des entreprises spécialisées dans la fabrication de batteries. Leader en production et conception de batteries depuis les années 90, le Japon a accéléré sa recherche sur les solides en créant il y a un an une alliance regroupant Panasonic, GS Yuasa (spécialiste japonais des batteries au plomb), Asahi Kasei (industrie chimique), Toray Industrie (spécialisée dans la fibre de carbone), Honda, Nissan et Toyota.