Impression 3D de batterie Lithium-ion

Doctorant en cotutelle au sein du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS) et du Laboratoire des Technologies Innovantes (LTI), Alexis Maurel a publié ses travaux de recherche dans le journal Scientific Reports et sur ACS Publications. Encadrée par Stéphane Panier (LTI), Loïc Dupont (LRCS) et Sylvie Grugeon (LRCS), l’objet de cette étude est l’impression 3D de batteries lithium-ion, en voici une adaptation française et simplifiée. Vous pouvez retrouver Alexis Maurel sur LinkedIn, ResearchGate et Twitter.

L’électricité étant produite de manière intermittente, il est donc indispensable d’utiliser des dispositifs permettant de la stocker tels que les batteries. C’est ce qui est utilisé dans nos smartphones, ordinateurs portables, trottinettes et voitures électriques. Parmi les différentes technologies, la plus répandue de nos jours est incontestablement celle appelée batterie lithium-ion. Cette dernière est d’ailleurs au centre de l’actualité puisqu’il y a quelques semaines seulement, le Prix Nobel de Chimie 2019 a été attribué à trois chercheurs pour leurs travaux pionniers (décerné le 9 Octobre 2019).

Les batteries lithium-ion actuelles se présentent sous la forme de feuillets superposés les uns au-dessus des autres : on parle alors de design en une seule dimension (1D). Malheureusement, par le passé, il a été montré dans la littérature scientifique que la puissance des batteries actuelles est limitée par ce type d’architecture.

En vue de décupler leurs performances en matière de puissance, de nombreux scientifiques se sont déjà intéressés à la préparation d’architectures prometteuses en trois dimensions (3D) par des méthodes classiques : la préparation des électrodes 3D de manière séparée. Malencontreusement, tous, se sont heurtés au même problème lors de la tentative d’interpénétration des deux électrodes : impossible d’éviter le phénomène de court-circuit. Comment remédier à ce problème ? Une solution : associer le monde des batteries à une autre discipline révolutionnaire, à savoir l’impression 3D. C’est justement sur ce sujet que Alexis Maurel concentre sa thèse de doctorat portant sur l’impression 3D de batteries lithium-ion, dont voici un aperçu.

Au sein du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (Amiens, France), en partenariat avec le Laboratoire des Technologies Innovantes (Amiens, France), le groupe de chercheurs de l’université de Picardie Jules Verne s’intéresse au procédé d’impression 3D appelé FDM (Fused Deposition Modeling) utilisant un filament thermoplastique comme matière première. Le principe ? Contrôlée à distance par ordinateur, l’imprimante va déposer couche par couche la matière afin de former l’objet final. Leur but ? Développer différents filaments en vue d’imprimer les différentes parties d’une batterie lithium-ion : électrode positive, électrode négative, séparateur ou électrolyte solide, collecteur de courant.

L’impression 3D pourrait tout simplement révolutionner nos batteries !

« Je vous invite par exemple à considérer les lunettes connectées telles que les fameuses « Google Glass ». Actuellement, la batterie lithium-ion est présente sur un côté, à l’extérieur de la monture. Imaginez désormais que l’on puisse optimiser le design de celles-ci en y intégrant la batterie dans la totalité de la monture. Ceci représenterait non seulement un atout esthétique mais également une optimisation de la capacité de stockage. » C’est désormais imaginable grâce à l’impression 3D. Cette technologie permet désormais d’envisager la préparation d’architectures prometteuses en trois dimensions en vue de décupler la puissance de la batterie, tout en évitant les problèmes classiques de court-circuit.

Les chercheurs ont établi un protocole afin d’obtenir des filaments composites ayant des propriétés électrochimiques et mécaniques convenables :

« Il s’agit d’un compromis : la « matière active » (LiFePO 4 pour l’électrode positive et Graphite pour l’électrode négative) est indispensable en quantité importante afin que la batterie présente des performances convenables, mais dans le même temps, il faut suffisamment de polymère (PLA) pour assurer la tenue mécanique. »

Des filaments composites pour impression 3D spécialement développés pour les électrodes positive (PLA / LiFePO 4) et négative (PLA / Graphite) ont ainsi été conçus. Afin d’optimiser leurs performances, des additifs conducteurs et un plastifiant ont finalement été incorporés.

Après une étude préliminaire publiée en 2018 dans le journal Chemistry of Materials, intitulée « Highly Loaded Graphite – Polylactic Acid Composite-Based Filaments for Lithium-Ion Battery Three-Dimensional Printing », le groupe de chercheurs amiénois s’est focalisé sur la dernière pièce manquante, à savoir un filament pour le séparateur. Cette fois-ci, afin d’améliorer les performances électrochimiques, un filament composite à base de polymère (PLA) et de céramique (SiO 2) a été mis au jour.

« Enfin, les trois filaments ayant été optimisés, nous avons donc imprimé en 3D des batteries lithium-ion complètes ayant n’importe quelle forme. La faisabilité du concept a donc bel et bien été démontré puisque la batterie lithium ion fonctionne. »

On peut donc même se permettre d’imaginer dans le futur que l’on pourra imprimer sa propre batterie lithium-ion chez soi. Ce travail a fait l’objet d’un article scientifique publié le 2 Décembre 2019 dans le journal scientifique Scientific Reports intitulé « Three-Dimensional Printing of a LiFePO4 / Graphite Battery Cell via Fused Deposition Modeling ». Il reste désormais un an de thèse à Alexis Maurel en vue d’optimiser les performances de la batterie et imprimer un objet-démonstrateur (ex : drone, bracelet connecté…). D’ici là, vous pouvez l’encourager par un commentaire, démarrer un échange sur le forum ou sur ses réseaux sociaux cités en introduction.