Un polymère qui révolutionne les batteries électriques

Si vous possédez une voiture électrique et qu’il vous vient l’idée saugrenue d’en percer la batterie, réfléchissez-y à deux fois avant de la mettre en pratique. Au cœur de ces 300 kg de métal se trouve un liquide appelé électrolyte, dans lequel des ions lithium font des allers-retours entre deux électrodes ; dans un sens lorsque la batterie se charge et dans l’autre lorsqu’elle se décharge. Le hic ? Cet électrolyte liquide est à la fois volatil et inflammable. Si la batterie est endommagée — lors d’un accident, par exemple —, elle risque fortement de prendre feu. Une question de sécurité à laquelle se sont attaqués Jérôme Claverie et Vincent St-Onge, respectivement professeur et doctorant au Département de chimie de l’Université de Sherbrooke.

Parmi les solutions de rechange plus sécuritaires sur lesquelles travaillaient déjà d’autres équipes ailleurs dans le monde se trouve l’électrolyte à base de polymère, un matériau plus ou moins pâteux, donc peu susceptible de couler. Ainsi ont vu le jour des batteries dites « solides », qui se passent d’électrolyte liquide. La cerise sur le gâteau : elles sont même plus compactes que les batteries classiques. « On a beaucoup plus d’énergie dans une batterie solide pour le même volume ou le même poids », fait remarquer Jérôme Claverie.

Cependant, les polymères ont cette fâcheuse tendance à cristalliser comme du sucre lorsque leur température est inférieure à 60 °C, ce qui empêche les ions de se frayer un passage d’une électrode à l’autre. « Pour maintenir la batterie fonctionnelle, il faut alors la chauffer à 70 °C ou à 80 °C, par exemple à l’aide d’une autre batterie. Cependant, cela induit des contraintes en ce qui a trait à la sécurité et au coût énergétique », explique Vincent St-Onge.

Le doctorant a voulu améliorer la formule de cet électrolyte alternatif. Après moult recettes et essais ratés, il a trouvé le bon mode d’emploi : ajouter au polymère principal de petits morceaux d’un autre polymère. Le premier se présente sous la forme d’un empilement de molécules toutes identiques, comme des blocs Lego. Le second polymère vient s’insérer ici et là, entre deux briques, empêchant celles-ci de s’emboîter correctement. « Cela crée des imperfections, ce qui prévient la cristallisation du polymère principal, ajoute le doctorant. Plus il y a de défauts, plus il est mou et collant, un peu comme une pâte à biscuits. » Finalement, cette pâte permet aux ions de circuler et à la batterie solide de fonctionner sans chauffage externe. Une découverte publiée dans Communications Materials en août 2021.

Devant la fin annoncée de la vente de voitures à essence au Canada en 2035, cette nouvelle batterie arrive au bon moment. Néanmoins, les chercheurs soulignent qu’il reste encore un long chemin à parcourir avant de la commercialiser… Il faut vérifier qu’elle puisse être fabriquée à grande échelle, qu’elle soit compétitive en matière de coût et d’efficacité énergétique, et qu’elle puisse fonctionner dans des conditions extrêmes, qu’on pense à l’hiver québécois ou à un environnement désertique de l’Arizona. « Mais grâce à un partenariat avec Hydro-Québec, on sait que notre découverte est entre bonnes mains et qu’elle ne restera pas sur la paillasse », dit Jérôme Claverie avec enthousiasme. Son ancien étudiant, Jean-Christophe Daigle — qui est aujourd’hui chercheur à Hydro-Québec —, a d’ailleurs aiguillé l’équipe pour concrétiser cette idée et espérer qu’elle puisse un jour faire rouler une voiture. Un petit pas pour les batteries électriques, mais un grand pas vers la transition énergétique !

Ont aussi participé à cette découverte : Jean-Christophe Daigle et Sylviane Rochon (Centre d’excellence en électrification des transports et en stockage d’énergie d’Hydro-Québec) ; et Mengyang Cui (Université McMaster).