Alors que l’on cherche à optimiser les matériaux pour améliorer les performances maximales des batteries, l’innovation dans le domaine de la technologie des batteries est essentielle. Cette innovation est stimulée par des initiatives telles que le « Faraday Battery Challenge » (qui fait partie du Fonds britannique pour la recherche et l’innovation), dans le cadre duquel 541 millions de livres sterling ont été débloqués entre 2017 et 2025 afin d’encourager le développement d’un secteur solide des batteries au Royaume-Uni. À l’Office européen des brevets, l’année 2023 a été marquée par une hausse de 28 % du nombre de demandes de brevets liées aux batteries.
Le résumé de l'histoire jusqu'à présent
Dans le domaine de la technologie des batteries, l'anode, la cathode et l'électrolyte font tous l'objet de travaux de recherche et de développement visant à fabriquer et à commercialiser des batteries durables, performantes et abordables.
On comprendra que les principaux facteurs à prendre en compte lors de la commercialisation d'un matériau pour batterie sont la densité énergétique, la densité de puissance, le coût et la durée de vie. Dans le secteur des batteries, il faut trouver un juste équilibre entre ces facteurs.
Selon les données de l'Office européen des brevets, l'innovation continue de se concentrer sur les batteries lithium-ion : 45 % des demandes de brevet liées aux batteries concernent cette technologie, contre 7,3 % pour les autres types de batteries, le reste portant sur des aspects liés à la fabrication et à l'ingénierie.
À ce jour, la plupart des avancées technologiques dans le domaine des batteries lithium-ion ont porté sur la recherche et la mise en œuvre ultérieure de nouveaux matériaux cathodiques. Ceux-ci ont été au cœur de la recherche sur les batteries, car ils constituent le composant le plus coûteux de la batterie. Les matériaux cathodiques courants sont généralement à base d’oxydes de cobalt, de nickel et de manganèse, et des études estiment que les réserves de cobalt seront épuisées avant 2030, compte tenu des besoins actuels du marché. La recherche de matériaux alternatifs est donc essentielle pour réduire la dépendance vis-à-vis de ces réserves de cobalt en voie d'épuisement.
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Les matériaux d'anode n'ont pas fait l'objet de recherches aussi approfondies, ce qui signifie qu'il existe un potentiel important d'amélioration des performances des batteries grâce à l'optimisation des anodes, soit de manière isolée, soit en combinaison avec l'optimisation des cathodes.
La technologie actuelle des batteries lithium-ion utilise principalement trois types de matériaux d'anode : le graphite, le silicium et le titanate de lithium (LTO).
Le graphite est de loin le matériau le plus courant ; on estime que 90 à 95 % des batteries lithium-ion utilisent une anode en graphite. Les ions lithium peuvent être facilement stockés pendant la charge, par intercalation entre les couches de graphite, et la désintercalation se produit pendant la décharge. Le graphite présente une densité énergétique moyenne. C’est le plus abordable des trois matériaux et il offre une durée de vie acceptable, comprise entre quelques centaines et quelques milliers de cycles. Cependant, bien que la densité de puissance en décharge soit bonne, l’utilisation de la recharge rapide s’accompagne de contraintes de sécurité. Ces contraintes peuvent être attribuées à la formation de dendrites de lithium ou au placage de lithium : des microstructures métalliques se forment alors sur l’anode pendant le processus de recharge, en raison de l’incapacité de celle-ci à absorber les ions lithium à un rythme suffisant. Ces dendrites de lithium peuvent provoquer des courts-circuits internes, entraînant une défaillance catastrophique de la batterie.
Les matériaux d’anode à base de silicium ou d’oxyde de silicium sont utilisés dans les batteries à haute densité énergétique. La densité énergétique élevée de l’anode à base de silicium peut s’expliquer par sa grande capacité à stocker des ions lithium : chaque atome de silicium peut lier jusqu’à 3,75 ions lithium, alors que chaque atome de carbone du graphite n’en lie qu’un sixième. Le silicium ou l’oxyde de silicium peuvent être mélangés au graphite afin d’obtenir une capacité de stockage supérieure à celle des anodes en graphite pur. Les matériaux d’anode à base de silicium sont abordables – plus chers que le graphite, mais nettement moins que le LTO – et leur densité de puissance est bonne. Le principal problème des matériaux d’anode à base de silicium réside dans leur durée de vie. Lors de l’intercalation ou de la désintercalation des ions lithium, la structure de l’anode subit d’énormes fluctuations volumétriques, ce qui limite sa durée de vie à seulement quelques centaines de cycles.
Les matériaux d’anode LTO offrent une puissance élevée et une longue durée de vie, qui peut être jusqu’à dix fois supérieure à celle des batteries à base de graphite et de silicium. Une fois optimisées, on peut raisonnablement s'attendre à des dizaines de milliers de cycles, et les batteries à base de LTO se chargent nettement plus rapidement que les autres alternatives. Cependant, le nombre d'ions lithium pouvant être contenus dans la structure cristalline est limité, ce qui se traduit par une taille de batterie problématique : si l'on prend l'exemple d'une utilisation dans un véhicule électrique, la batterie occuperait environ la moitié de l'espace du véhicule. Pour la même raison, les batteries équipées d'anodes LTO sont très coûteuses.
Les recherches actuelles dans le domaine des matériaux d'anode portent notamment sur le développement de matériaux à base de carbone dur et de carbone souple. Il s'agit de matériaux supportant des tensions plus élevées que le graphite et empêchant la formation de dendrites, ce qui améliore la sécurité de la batterie. Les défis liés à ces matériaux concernent notamment la réduction des réactions secondaires et des pertes de lithium. Les matériaux mixtes à base d'oxyde de niobium constituent également un matériau d'anode prometteur, car ils présentent les mêmes avantages que le LTO tout en offrant une densité énergétique plus compétitive et un coût réduit.
Potentiel de développement
Il existe manifestement un potentiel de développement des anodes, dans un large éventail d'applications, afin de surmonter les défis et les limites de la technologie actuelle des batteries.
Selon le rapport « Battery 2030 » de McKinsey, les besoins en batteries lithium-ion devraient croître d’environ 27 % par an, la demande passant d’environ 700 GWh en 2022 à environ 4,7 TWh d’ici 2030. La valeur de la chaîne de valeur des batteries lithium-ion devrait passer d'environ 85 milliards de dollars en 2022 à plus de 400 milliards de dollars en 2030.
On peut donc s'attendre à ce que l'innovation et l'activité en matière de brevets dans le domaine des technologies de batteries se poursuivent au cours des prochaines années.
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« Il existe manifestement un potentiel de développement des anodes, dans un large éventail d'applications, afin de surmonter les défis et les limites de la technologie actuelle des batteries. »
