Révolution rechargeable

Les batteries lithium-ion sont partout : des smartphones et des ordinateurs portables aux voitures et aux satellites en orbite autour de la Terre. C’est actuellement notre technologie de batterie la plus sophistiquée. Pourtant, elle n’est pas idéale pour toutes les applications. Les batteries lithium-ion perdent de la capacité à chaque cycle de charge et de décharge, se rechargent relativement lentement et ne fonctionnent vraiment bien que dans une plage de température étroite.

Du point de vue des chercheurs de l’Empa Abdessalem Aribia et Moritz Futscher du laboratoire « Thin Films and Photovoltaics » de l’Empa, il est temps de repenser la technologie des batteries. Par rapport à d’autres technologies existantes ou en cours de développement, leur batterie à l’état solide à base de lithium métal présente plusieurs avantages majeurs. Par exemple, elle peut être chargée et déchargée en une minute, dure environ dix fois plus longtemps qu’une batterie lithium-ion et est insensible aux variations de température.

De plus, contrairement aux batteries lithium-ion, elle n’est pas inflammable – un grand avantage, car les batteries actuelles sont considérées comme des matières dangereuses. Une mauvaise manipulation ou l’endommagement d’une pile lithium-ion traditionnelle peut provoquer un incendie qui libère des gaz toxiques et elle est extrêmement difficile à éteindre. « En revanche, si vous coupez notre batterie avec des ciseaux », explique Abdessalem Aribia, « vous avez simplement deux batteries deux fois moins bonnes. »

Abdessalem Aribia et Moritz Futscher veulent maintenant commercialiser cette technologie prometteuse. Avec le directeur du laboratoire Yaroslav Romanyuk, ils ont créé une spin-off appelée « BTRY » (prononcé battery). Abdessalem Aribia, qui assume le rôle de CTO chez BTRY, n’avait jamais envisagé auparavant de créer sa propre entreprise. En revanche, le CEO Moritz Moritz Futscher s’intéresse aux start-up depuis ses années d’études. Les deux chercheurs travaillent ensemble depuis des années sur le projet de batterie et forment une équipe bien rodée. « Nous sommes convaincus que notre produit peut apporter une réelle valeur ajoutée », déclare Moritz Futscher.

Fabrication de haute précision

Cette batterie d’un nouveau genre est ce qu’on appelle une batterie à l’état solide en couches minces. La technologie en soi n’est pas nouvelle : de telles batteries sont déjà connues depuis les années 1980. Mais en raison de la très faible masse de leurs composants à couche mince – la cellule entière n’a que quelques micromètres d’épaisseur – elles ne pouvaient jusqu’à présent stocker que très peu d’énergie. Moritz Futscher et Abdessalem Aribia ont réussi à empiler les cellules à couches minces les unes sur les autres et à augmenter ainsi leur capacité.

La pile devient ainsi intéressante pour des applications commerciales. La fabrication des cellules à couches minces se fait par dépôt sous vide : les matériaux souhaités sont pulvérisés en atomes individuels dans une chambre à vide, qui se déposent ensuite en une couche contrôlée avec précision sur le substrat cible. « De telles méthodes de fabrication sont aujourd’hui utilisées à grande échelle pour la production de puces semi-conductrices et de revêtements en verre », explique Moritz Futscher. « C’est un avantage pour nous, car les machines et le savoir-faire pour la fabrication de notre batterie sont largement disponibles. »

La méthode de fabrication de haute précision présente un autre avantage : « Contrairement à la méthode traditionnelle de fabrication des batteries à la casserole, notre production ne génère pas de solvants toxiques », explique Abdessalem Aribia. Cependant, la batterie à couche mince est également plus chère. C’est pourquoi les chercheurs voient leur application surtout dans les produits pour lesquels le prix de la batterie ne représente qu’une petite partie du coût total de l’appareil, comme les smartphones et les montres intelligentes ou les satellites. « Dans ce cas, les avantages de notre technologie font plus que compenser le prix plus élevé », affirme Abdessalem Aribia avec conviction.

Recherche d'investisseurs

Les chercheurs ne sont pas les seuls à considérer le potentiel de leur produit comme élevé. BTRY a été soutenu par Innosuisse et a réussi à intégrer le « Business Incubator » de l’Agence spatiale européenne (ESA). En outre, Abdessalem Aribia a reçu une « Empa Entrepreneur Fellowship », qui soutient les jeunes chercheurs pendant un an lors de la création de leur entreprise.

Mais avant que les premières batteries à couches minces ne s’envolent dans l’espace ou n’alimentent les téléphones portables en électricité, il reste encore beaucoup à faire, tant sur le plan administratif que technique. En attendant, les deux fondateurs utilisent les machines du « Coating Competence Center » de l’Empa pour rendre leurs prototypes de batteries plus grands et plus performants et pour montrer aux bailleurs de fonds potentiels que l’investissement en vaut la peine.

Au cours des deux prochaines années, les chercheurs veulent augmenter à la fois la surface et le nombre de couches. « Actuellement, nos batteries ne sont composées que de deux couches de seulement 1 × 3 millimètres environ », explique Abdessalem Aribia. « Nous voulons ensuite fabriquer une batterie d’environ 1 centimètre carré avec deux ou trois couches. Cela ne nous permet pas encore de faire fonctionner un satellite – mais nous pouvons très bien montrer que notre technologie est évolutive. »

Soutien pour les créateurs d’entreprise

L’« Empa Entrepreneur Fellowship » est attribué à des chercheurs de l’Empa qui souhaitent créer une start-up sur la base de leurs recherches. Les fellowships sont attribués dans le cadre d’un concours et comprennent un soutien financier pour douze mois. Les spin-off de l’Empa bénéficient d’un soutien supplémentaire dans les deux incubateurs d’entreprises « glatec » à Dübendorf et « Startfeld » à Saint-Gall.