De nouvelles batteries pour les nanosatellites

Une nouvelle solution pour alimenter les nanosatellites en énergie améliore leur fiabilité et leur efficacité à moindre coût

Entre la fin des années 1990 et 2012, environ 10 petits satellites ont été lancés chaque année et on en prévoit plus de 3 000 pour les six prochaines années. Il s'agit pour le secteur spatial européen d'une opportunité d'occuper une position de leader mondial, grâce à un système de stockage d'énergie approprié.

Le secteur des petits satellites (nanosatellites) a le vent en poupe, poussé par des améliorations en matière de miniaturisation, de standardisation et de réduction des coûts. Un stockage d'énergie fiable et efficace s'avère toutefois crucial pour leur permettre de fournir, avec succès, des performances élevées pour un large éventail d'applications.

Le projet MONBASA, financé par l'UE, avait pour objectif de développer une solution en matière de stockage d'énergie conforme aux normes et réglementations en vigueur, fiable et offrant une efficacité énergétique élevée tout en restant légère et compacte. Les chercheurs ont conçu de nouveaux composants à couche mince, essentiels pour la prochaine génération de batteries rechargeables Li-ion à haute tension entièrement solides.

Le respect des normes de sécurité, de robustesse, de densité énergétique, de compatibilité avec le vide, de résistance aux radiations et de plage de température de fonctionnement rend ces batteries idéales pour des applications spatiales, ainsi que pour d'autres applications comme l'Internet des objets (IoT).

Dépasser ce qui se fait actuellement

Alors que les nanosatellites sont devenus très populaires, le nombre de développeurs et de projets étant en augmentation constante, le projet MONBASA est parti de l'idée selon laquelle des solutions de stockage d'énergie innovantes seraient susceptibles de stimuler encore davantage ce secteur.

L'équipe a d'abord mis au point une batterie solide basée sur un couple d'électrodes haute tension et des électrolytes solides en céramique, avec des conductivités ioniques beaucoup plus élevées que les électrolytes solides disponibles dans le commerce. L'intégration de l'électrolyte solide étant nécessaire pour réaliser une cellule complète fonctionnelle, il était essentiel d'établir un bon contact entre la cathode et l'électrolyte. Pour analyser entièrement les propriétés physiques et chimiques des interfaces de la batterie, les outils d'analyse les plus avancés ont été utilisés.

L'étape suivante a consisté à se pencher sur l'intégration des batteries avec des capteurs satellitaires à la pointe de la technologie, tels que les systèmes microélectromécaniques (MEMS), une technologie essentielle au niveau des capteurs et des actionneurs dans les satellites de pointe. La solution a été testée et validée dans des conditions semblables à celles rencontrées dans l'espace.

"Nous avons adopté des méthodes de traitement issues des secteurs de la microélectronique et des verres technologiques, compatibles avec la fabrication de nanosatellites. Elles se sont avérées cruciales pour obtenir des composants de batterie Li-ion à couche mince de haute qualité, dépassant celle des composants actuellement sur le marché", explique le Dr Miguel Ángel Muñoz, coordinateur du projet.

MONBASA a montré que les électrodes à couche mince testées avec des électrolytes liquides que l'on trouve sur le marché affichaient une durée de vie supérieure d'un ordre de grandeur à celle des électrodes classiques disponibles dans le commerce. En pratique, cela signifie qu'un simple changement d'électrodes suffirait à améliorer les cellules Li-ion actuelles.

En théorie, l'électrolyte liquide ne devrait pas être stable aux hautes tensions délivrées par la cathode MONBASA. La cellule à couche mince a toutefois conservé plus de 80 % de sa capacité initiale pendant plus de 2 000 cycles, à des intensités de courant élevées et, après intégration de l'électrolyte solide, stable à des tensions élevées, les performances de la cellule seront encore plus élevées.

Le projet a également découvert que la méthode de traitement MONBASA employée pour l'électrode négative, testée avec un électrolyte solide de référence disponible sur le marché, à seulement 45 °C, donnait des performances équivalentes à celles des cellules classiques fonctionnant à 70 °C.

Comme le résume le Dr Muñoz, "les batteries entièrement solides du projet MONBASA sont capables de surmonter les défis auxquels le secteur spatial est actuellement confronté avec les batteries Li-ion disponibles dans le commerce". Il explique: "Des composants de batterie plus durables entraîneront moins de pannes et allongeront par conséquent la durée de vie des satellites. Des batteries haute tension à couche mince de taille réduite permettront la conception de satellites plus petits, réduisant ainsi le risque de collision. Par ailleurs, une plage de température de fonctionnement plus large améliorera la sécurité et les performances dans des conditions extrêmes."

Assurer et développer les services critiques

Dans sa stratégie spatiale pour l'Europe, la Commission européenne a souligné l'importance de disposer de données et de technologies spatiales innovantes pour fournir les services indispensables à la vie quotidienne des citoyens européens. Les petits satellites sont particulièrement utiles pour les applications nouvelles car ils sont relativement peu coûteux à construire et à lancer, offrant des opportunités sur tout un éventail de marchés cibles, tels que les télécommunications, l'agriculture, les transports et l'environnement.

Ces services contribuent à protéger et à gérer les infrastructures critiques, à renforcer la compétitivité économique, à gérer les ressources d'une population croissante et à faire face aux pressions exercées par le changement climatique. "Au-delà des satellites spatiaux, les résultats du projet présentent un intérêt pour d'autres applications telles que l'alimentation de capteurs autonomes pour l'IoT et des dispositifs portables comme ceux utilisés pour assurer un suivi médical."

Mais, souligne le Dr Muñoz, "les efforts à venir devront être axés autour de l'optimisation des interfaces permettant l'intégration d'une cathode à couche mince avec un électrolyte à couche mince. En parallèle, améliorer les processus de fabrication des composants devrait être une priorité."