Le projet ELIAS : pour développer une nouvelle génération de batteries « tout solide »

Nouveaux usages, transition écologique, limites planétaires… Les besoins en batteries - systèmes électriques de stockage mobile et stationnaire - devraient quadrupler dans la décennie, pour atteindre un marché de 2 500 GWh en 2030. Si les batteries Lithium-ion de 3^ème génération à électrolyte liquide pourraient capter la majeure partie de la croissance, elles n’atteindront pas les niveaux de performances attendues à moyen et long terme. D’où la nécessité de développer des technologies de batterie Lithium « de rupture » présentant des capacités accrues, grâce à leur composition majoritairement voire exclusivement solide. Ces batteries lithium dites « tout solide », aussi appelées batteries de 4ème génération, répondent à ce défi. 

A ce titre, le projet ELIAS (Eléments Lithium Avancés tout Solide), dédié au développement de cette nouvelle génération de batteries à électrolyte solide, offre un haut niveau de performance sans compromettre la sécurité. Ce projet est porté par Saft, société française de plus de 100 ans, pionnière dans le domaine de la batterie industrielle, présente à l’échelle mondiale à travers ses 19 sites. Elle produit des batteries industrielles pour les applications de ses clients sur terre, en mer, dans les airs et dans l’espace.

Fort de son esprit pionnier, Saft mène, depuis 2018, un programme d’innovation spécifique : le développement de la batterie tout solide. A cet effet, l’industriel a d’une part renforcée son panel de collaboration avec les partenaires académiques et industriels, notamment le consortium Elias, et d’autre part investi dans une ligne de prototypage pour son site de Bordeaux, qui sera opérationnelle fin 2024. Le consortium Elias, constitué de 6 acteurs académiques et industriels, a pour l’objectif d’améliorer la densité d’énergie de plus de 50 % par rapport aux batteries Lithium-ion qui produisent aujourd’hui 250 Wh/kg. Une telle révolution se mène forcément à plusieurs.

Ce projet ambitieux, soutenu par France 2030 et opéré par Bpifrance, a été validé en janvier 2023. Il se déroulera sur 4 ans, jusqu’à janvier 2027. Saft a sollicité les meilleurs partenaires pour couvrir toute la chaîne de valeur : la société Ingecal, PME experte dans le domaine des équipements qui participent à la réalisation des électrodes et des électrolytes solides ; la société PolymerExpert, PME spécialisée dans la R&D et la formulation de polymères techniques ; le CEA Liten, organisme de recherche reconnu internationalement, notamment pour les solutions de stockage d’énergie par voie électrochimique ; l’Institut de Chimie Radicalaire (ICR, CNRS/Aix-Marseille Université), laboratoire expert dans les matériaux pour l’énergie, et notamment en polymères innovants ; l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (ICMMO, CNRS/Université Paris Saclay), spécialisé dans le domaine des matériaux et de l’énergie, et particulièrement dans leur caractérisation électrique.

« Saft a monté le projet et est garant de sa réussite auprès de Bpifrance. En tant que fabricant  et chargé de la mise sur le marché des batteries, Saft spécifie le cahier des charge des batteries de 4^ème génération afin de répondre aux mieux aux besoins du marché.», explique Madame Thanh Ha TRAN, chef de projet du programme « tout solide » à Saft, basée à Bordeaux.

Le « tout solide », une innovation technologique de rupture

« Les batteries à électrolyte liquide nécessitent un séparateur poreux pour contenir ce dernier et isoler électriquement les électrodes. Ces batteries posent d’important problèmes de sécurité, pouvant aller du simple court-circuit à l’explosion ou la mise à feu de la batterie. Au sein du projet ELIAS, nous créons des solutions à électrolyte solide pour non seulement augmenter la densité d’énergie stockée, mais aussi proposer des batteries plus légères et plus sûres », analyse Madame Trang PHAN, enseignant chercheur à l’Institut de Chimie Radicalaire. Et d’ajouter : « au sein de notre Institut, nous travaillons à la recherche d’électrolyte solide à base de polymère innovant qui réponde au cahier des charges, à l’échelle d’une dizaine de grammes. C’est ensuite la société PolymerExpert qui produira ce polymère à grande échelle ». Si le polymère est le matériau le plus étudié, il convient de préciser que les électrolytes solides pourront aussi être réalisées à base de sulfures.

Des champs d’application variés

Dans un premier temps, les applications Saft bénéficieront des avancées technologiques du « tout solide ». Ainsi, cette innovation permettra de lever le verrou technologique de la densité d’énergie qui limite aujourd’hui l’autonomie sur les applications à traction à batteries. « Ce gain en densité d’énergie permettra d’optimiser les applications existantes et d’ouvrir de nouveaux champs d’application, par exemple rendre accessible la propulsion électrique dans le domaine du transport aérien», prévoit Madame Thanh Ha TRAN, chez Saft. Cette technologie de rupture est promise à un avenir porteur.

Des enjeux écologiques, économiques et de souveraineté

Le projet ELIAS s’inscrit pleinement dans la transition écologique. En effet, les performances accrues de la nouvelle génération de batteries vont augmenter le nombre d’applications des batteries donc aider les clients de Saft à réduire leur empreinte de carbone. Par ailleurs, le projet comprend l’analyse de cycle de vie et le recyclage de ces batteries de 4^ème génération afin de participer à la réduction de la dépendance nationale aux matériaux critiques et d’optimiser l’impact environnemental de ces solutions. Ce projet innovant relève également un défi économique en réduisant le coût de ces nouvelles batteries pour l’utilisateur final.

Enfin, « le projet ELIAS et l’innovation du « tout solide » contribuera à améliorer le positionnement industriel de la France sur le marché des batteries », conclut Madame Thanh Ha TRAN, chez Saft. Un atout pour la souveraineté française, quand on sait qu’aujourd’hui 70 % du marché mondial des batteries est fourni par la Chine.