CNRS Chimie accueille Shirley Meng en tant qu'Ambassadrice CNRS des sciences chimiques

• Des efforts considérables sont consacrés aux matériaux et aux systèmes de stockage d'énergie, notamment aux batteries rechargeables destinées aux véhicules et camions électriques, ainsi qu'aux systèmes de stockage à l'échelle du réseau pour les énergies renouvelables à faible coût. Pouvez-vous nous en dire plus sur les travaux menés par votre équipe dans ce domaine?

Mon équipe de recherche, qui constitue le Laboratoire de stockage et de conversion d’énergie (LESC), mène des recherches sur les batteries de nouvelle génération depuis deux décennies. Notre démarche consiste à créer des liens entre science fondamentale pour la compréhension des matériaux et solutions de stockage d’énergie adaptées aux réalités du terrain.

Pour cela, nous avons développé des méthodes d’analyse innovantes utilisant la microscopie électronique cryogénique innovantes (cryo-EM), que nous avons appliquées à la caractérisation de matériaux pour batteries et à leurs interfaces. En effet, il était jusqu’alors pratiquement impossible d’observer l’électrolyte solide - le lithium métallique - au niveau atomique car le faisceau d’électrons des microscopes traditionnels dégradait ou détruisait les matériaux à analyser. En adaptant cette spectroscopie, issue de la recherche biologique, aux problématiques rencontrées en science des matériaux, nous sommes parvenus à identifier, au niveau atomique, l’origine du vieillissement et de la dégradation de l’anode en lithium métallique au cours de son utilisation. Grâce à cela, les industriels ont pu mettre au point des interfaces plus stables pour les anodes en lithium métallique et en silicium, ainsi que pour les cathodes haute tension et leurs revêtements protecteurs.

Nous nous sommes également intéressés à un autre point faible des batteries lithium-ion traditionnelles : la forte baisse de performances à basses températures liée aux électrolytes liquides qui deviennent trop visqueux, ce qui entraîne une perte de capacité de transport ionique. Nous avons ainsi développé un nouvel électrolyte appelé « électrolytes à gaz liquéfié » (LGE), qui permet aux batteries lithium-ion et lithium-métal de fonctionner jusqu’à -80 °C, voire moins. Ces travaux de recherche menés en laboratoire ont permis à la société South 8 Technologies d’introduite ce nouvel électrolyte dans des batteries pour l’aérospatiale, la défense, et les véhicules électriques utilisés dans des régions froides.

Enfin, nous avons abordé la question des batteries du stockage de l’énergie électrique alternative pour le réseau. Dans ce domaine, les batteries sodium-ion sont une alternative au lithium car le sodium est un élément abondant et peu coûteux. Mais les dispositifs actuellement étudiés utilisent des anodes en carbone dur qui présentent une densité énergétique volumétrique limitée. Mon équipe a mis au point des architectures d’anodes avancées à base d’alliages, à base d’étain par exemple, capables d’accueillir dans leur structure de gros ions sodium et de gérer l’expansion volumétrique générée sans dégradation mécanique. Nous avons ainsi doublé la capacité volumétrique par rapport aux batteries sodium-ion standard et ces travaux ont permis à d’anciens étudiants du laboratoire de créer la spin-off UNIGRID Battery. Cette start-up est parvenue à transposer cette technologie à l’échelle industrielle sous forme de cellules grand format exemptes de lithium, de cobalt et de nickel. Un mode de stockage d’énergie sûre, ininflammable et à haute densité, pour des applications résidentielles et à l’échelle du réseau électrique.

• Quels sont les progrès à venir dans ce domaine au cours des prochaines années ?

Compte tenu de la demande croissante en batteries dans les secteurs de la mobilité, du réseau électrique et des centres de données dédiés à l’IA, nous sommes certains d’assister à des avancées extrêmement prometteuses dans ce domaine au cours des prochaines années. Alors que le monde a besoin d’au moins 300 TWh de batteries pour décarboner ses réseaux électriques et ses transports, il est important de prendre conscience que nous devons déployer les meilleures compositions chimiques afin de garantir que les batteries de demain assurent la sécurité et la résilience énergétiques, créent de la valeur économique et, à terme, permettent l’électrification du monde moderne pour que l’énergie soit stockée et utilisée de manière optimale.

Alors que la production mondiale de batteries s'intensifie, la dépendance à l'égard de matériaux rares comme le lithium et le nickel est devenue un point faible de la chaîne d'approvisionnement. Notre équipe a récemment mis au point la toute première batterie au sodium à état solide sans anode. Pour relever le défi consistant à maintenir un bon contact entre un électrolyte solide et le collecteur de courant sans recourir à une anode traditionnelle, l'équipe a utilisé un collecteur de courant en poudre d'aluminium fluide qui se densifie sous pression tout en se comportant comme un liquide. On réduit ainsi les coûts de fabrication tout en augmentant la densité énergétique : une alternative respectueuse de l’environnement pour le stockage sur réseau et les véhicules électriques. Ce nouveau concept montre également que le sodium — un matériau bon marché et abondant, présent dans l’eau de mer et le carbonate de sodium — peut être utilisé pour fabriquer des batteries dont la densité énergétique rivalise avec celle des systèmes au lithium. 

Le sodium pourrait donc, à terme, accompagner le lithium, métal rare et dont l’électrolyte liquide hautement inflammable rend les batteries actuelles peu sûres. Même si notre technologie à base d’électrolyte solide inorganique nécessite de nouveaux équipements pour sa mise en œuvre à grande échelle, les avantages liés à son utilisation dépasseront largement les coûts. Elle permettra d’abord de concevoir des batteries plus puissantes, avec une tension par cellule supérieure à 7 V. Elle pourrait ensuite considérablement augmenter leur durée de vie, jusqu’à plusieurs décennies, en facilitant notamment les charges et décharges rapides et en limitant les interactions entre les différentes parties de la batterie. Enfin, la fabrication « à sec » pourrait permettre de produire les cellules plus facilement et de relocaliser leur fabrication dans davantage de régions.

• En tant qu'ambassadeur des sciences chimiques en France, avez-vous des attentes particulières pour cette tournée ? 

Avec des scientifiques comme Michel Armand, Claude Delmas ou Jean-Marie Tarascon, le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) est depuis des décennies un pilier de l’innovation mondiale dans le domaine des batteries. C’est donc pour moi un immense honneur et un immense plaisir d’être ambassadrice des sciences chimiques en France. Je suis très touché par cette opportunité.

Michel Armand a été l’un des pionniers du concept d’électrolytes polymères solides et a joué un rôle crucial dans la mise en œuvre pratique et la viabilité commerciale des cathodes au phosphate de fer lithié (LFP). À la fin des années 1970, Claude Delmas qui travaillait au Laboratoire de chimie du solide à Bordeaux (qui a donné naissance à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux en 1995) a posé les bases structurelles des batteries sodium-ion modernes. Enfin, Jean-Marie Tarascon a accompli un travail pionnier considérable dans le domaine des nouveaux matériaux cathodiques, du traitement des électrodes sèches et de la détection in situ dans les batteries. Il a fondé et dirigé des réseaux institutionnels structurants comme le réseau européen ALISTORE-ERI** et le réseau français RS2E***.

Au cours de cette prochaine tournée, j’ai hâte de rencontrer davantage de chercheurs du CNRS afin d’échanger de nouvelles idées sur la manière de mettre en place des collaborations plus approfondies et plus fructueuses. Je suis particulièrement impressionnée par les infrastructures scientifiques mises en place dans les différents laboratoires du CNRS et j’espère établir un réseau mondial pour la communauté des spécialistes de la chimie des batteries pour développer la mutualisation de ces infrastructures et favoriser de nouvelles avancées dans le domaine des matériaux et de la science du stockage d’énergie. La communauté scientifique française a apporté d’énormes contributions au domaine du stockage d’énergie ; j’ai beaucoup à apprendre sur la manière dont l’ADN de la chimie en France a non seulement donné naissance aux meilleurs vins, champagnes et chocolats, mais aussi à certains des meilleurs matériaux pour batteries qui alimentent le monde. Je suis certain que cette tournée sera pour moi une grande source d’inspiration.

 (*) En 2019, l'Institut de chimie du CNRS a initié le programme « Ambassadeurs des sciences chimiques en France ». Son ambition ? Permettre à de prestigieux chercheurs étrangers de visiter une série de laboratoires français actifs dans leur domaine. Ces visites comprennent non seulement des conférences de haut niveau par l'ambassadeur, mais sont également une occasion d'établir des contacts préliminaires et de favoriser des collaborations internationales pour les laboratoires français visités.

(**) ALISTORE ERI a été créé dans le cadre d'un réseau d'excellence du 6e programme-cadre de l'UE, d'une durée de cinq ans (lancé en 2004), et regroupe actuellement 19 institutions menant des recherches transversales de haut niveau dans le domaine des batteries et des matériaux pour batteries.

(***) Le RS2E – Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie – est un réseau de recherche et de transfert technologique français qui se consacre aux différents dispositifs de stockage d’énergie : batteries rechargeables, supercondensateurs et technologies alternatives destinés à de nombreux usages (véhicule électrique, électronique portable, stockage de l’électricité issue de sources renouvelables). Créé avec le soutien du Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche, il est porté par le CNRS.

Rédacteur : CCdM