Voici ce qu'est une batterie : deux électrodes de polarité différente et, entre elles, un électrolyte qui permet le transport des ions chargés entre les électrodes et bloque la conductivité des électrons – rendant ainsi possible la charge et la décharge de la batterie. Dans la plupart des batteries, l'électrolyte est un liquide inflammable. Les batteries dites solides utilisent à la place un solide comme électrolyte. Cela ne les rend pas seulement plus sûres : l'électrolyte solide permet également d'utiliser des matériaux alternatifs pour les électrodes, par exemple du lithium métallique pur pour l'anode. Les batteries à l'état solide peuvent ainsi atteindre des densités énergétiques potentiellement beaucoup plus élevées, c'est-à-dire stocker plus de courant par volume – un avantage pour les applications les plus diverses, des voitures électriques à l'électronique portable.

Mais comme c'est souvent le cas, cette technologie prometteuse présente encore quelques « maladies d'enfance » qui posent des défis à la recherche et à l'industrie. Des chercheurs de l'Empa du laboratoire des polymères fonctionnels travaillent sur un nouveau type d'électrolyte qui pourrait remédier à plusieurs problèmes. Alors que la plupart des électrolytes pour les batteries à l'état solide sont constitués de matériaux rigides, leur électrolyte solide est souple et extensible.

Conducteurs d'ions à base de silicone

Derrière cette innovation se cache une chimie intelligente. Le polymère de base pour l'électrolyte est un polysiloxane, plus connu sous le nom de silicone dans le langage courant. Ce plastique élastique présente un inconvénient majeur pour la recherche sur les batteries : il est apolaire. En d'autres termes: Les particules chargées, les ions, ne s'y dissolvent pas du tout. Les chercheurs réunis autour de Dorina Opris ont réussi à doter l'« épine dorsale » du polymère de groupes fonctionnels qui en font un bon conducteur d'ions, tout en conservant ses propriétés élastiques avantageuses.

L'élasticité est en effet un grand atout de l'électrolyte polymère. Les batteries lithium-ion actuelles utilisent une anode à base de sels de lithium. Avec du lithium métallique pur comme matériau d'anode, on pourrait atteindre des densités énergétiques plus élevées. Lorsque la batterie est déchargée, les ions de lithium « migrent » hors de l'anode et reviennent lors de la charge. Cependant, ils ne se déposent pas en une couche uniforme à la surface de l'anode, mais forment des dendrites : des structures arborescentes en lithium qui « poussent » jusqu'à la cathode en l'espace de quelques cycles de charge et provoquent ainsi un court-circuit.

L'utilisation d'un électrolyte solide contrecarre la croissance des dendrites. Mais lorsque les ions « migrent » hors de l'anode, des espaces vides se forment, ce qui peut entraîner une perte de contact entre l'anode et l'électrolyte et une diminution de la capacité de la batterie. C'est là que l'électrolyte élastique des chercheurs de l'Empa fait d'une pierre deux coups : il est suffisamment solide pour empêcher la formation de dendrites, mais suffisamment élastique pour remplir les espaces vides ainsi créés et compenser ainsi les changements de volume de l'anode lors de la charge et de la décharge.

Vers des batteries flexibles

Avec les matériaux adéquats pour les électrodes, l'électrolyte pourrait en outre être utilisé dans des batteries flexibles. « Les batteries actuelles pour les implants médicaux, comme les stimulateurs cardiaques, sont généralement dures et inconfortables pour les patients », explique Dorina Opris. « Notre polymère peut servir non seulement d'électrolyte, mais aussi de matériau de liaison pour la cathode ». Can Zimmerli, chercheur à l'Empa, ajoute : « Le polymère flexible peut être combiné avec différents matériaux actifs pour la cathode, ce qui permet de créer des batteries pour les applications les plus diverses ».

La flexibilité et la sécurité ne sont pas les seuls avantages de cet électrolyte innovant. « Le matériau peut être transformé en couches minces de quelques micromètres et est évolutif », dit Dorina Opris. « Si on le produit à l'échelle industrielle, il est en outre moins cher que les électrolytes polymères solides traditionnels ». Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer encore la conductivité ionique de l'électrolyte de silicone – tout en cherchant un partenaire industriel approprié pour commencer à commercialiser la technologie.