La technologie Li-S se prépare pour les missions spatiales

Les batteries lithium-ion sont devenues inévitables dans des domaines comme les véhicules électriques, les smartphones et les ordinateurs. La raison d'un tel succès? Une densité énergétique suffisamment élevée pour répondre aux besoins de ces dispositifs. Mais leurs limites semblent atteintes lorsqu'il s'agit d'applications plus exigeantes, comme les batteries spatiales. Le consortium ECLIPSE est convaincu que le lithium-souffre sera la prochaine grande révélation sur ce marché.

La technologie lithium-souffre (Li-S) a été brevetée et développée par OXIS Energy, une entreprise anglaise qui a entrepris de révolutionner le marché des batteries rechargeables en 2004. Tandis que OXIS cible avant tout les véhicules électriques, le secteur de la défense et le stockage de l'énergie solaire, un groupe réunissant des centres de recherche, des entreprises et des universités sous l'égide d'Airbus a décidé dès 2015 de parier sur leur potentiel pour le secteur spatial. Le projet ECLIPSE est né avec l'ambition de garantir que les contraintes spatiales seraient dûment prises en compte dans les améliorations à venir de la technologie Li-S.

Et le potentiel est évident: Li-S peut fonctionner à des températures bien plus élevées que Li-Ion et dégage en théorie une énergie spécifique 5 fois supérieure à celle de Li-Ion. Cette technologie est également moins onéreuse que sa concurrente du fait de son coût en matières premières inférieur. Et elle est plus sûre, plus respectueuse de l'environnement, dotée d'un bon cycle de vie et d'une haute tolérance à la pression. En outre, comme le souligne Bertrand Faure, coordinateur du projet pour Airbus: "La technologie Li-S présente une densité énergétique supérieure, soit un meilleur ratio énergie vs. masse que le lithium-ion. Cela permet de disposer de batteries plus légères ainsi que de systèmes plus performants et plus rentables".

Pour un secteur comme le secteur spatial, où envoyer 1 kg en orbite coûte environ 10 000 euros, réduire la masse des batteries pourrait vraiment changer la donne. Alors que le Li-Ion semble avoir atteint son pic de performance et que le futur prometteur de Li-S a été démontré, il est naturel que les parties prenantes investissent dans le développement de ce dernier.

Le projet ECLIPSE a mis spécifiquement l'accent sur trois axes d'amélioration: l'optimisation des principaux composants des cellules (cathode, anode, séparateur et électrolyte) pour atteindre 400 Wh/kg; la batterie et le niveau d'encapsulation; et l'étude de systèmes pour l'intégration dans l'architecture des satellites et des lanceurs. Le nouveau concept de collecteur de courant de cathode mis au point par le projet, par exemple, utilise la perforation laser pour réduire le poids d'environ 73 %.

"Nous nous sommes focalisés sur les améliorations technologiques qui permettraient une densité supérieure tout en étendant le cycle de vie. Nous avons essayé différentes solutions et différents matériaux pour optimiser ces facteurs et deux brevets ont été déposés à la suite de ces activités", explique Bertrand Faure. Finalement, le consortium a opté pour une cellule à haute densité énergétique (deux fois celle des technologies les plus avancées) qui présente une bonne marge de progression.

Outre le fait qu'il ait réuni des acteurs clés autour du projet de développement des matériaux des batteries Li-S, les réalisations fondamentales de ce projet sont d'avoir permis de mieux comprendre les exigences et les spécifications des applications spatiales; d'avoir pris connaissance des facteurs contraignants et des paramètres clés à améliorer pour obtenir des cellules Li-S à haute énergie et bon cycle de vie; et d'avoir démontré l'utilité des modèles physiques des cellules lithium souffre.

Alors que le projet s'est achevé en novembre 2017, le consortium entend continuer à collaborer afin d'amener la technologie Li-S sur le marché spatial.

Voir également:
- Des nanotubes fonctionnalisés pour stabiliser et augmenter la capacité des batteries Li-soufre