L’intelligence artificielle peut-elle accélérer l’industrialisation des batteries tout-solide ?

Les batteries tout-solide concentrent une part importante des efforts de recherche sur le stockage électrochimique, mais leur industrialisation reste freinée par la maîtrise des interfaces entre matériaux. Une démonstration menée au Japon explore désormais l’usage de l’intelligence artificielle pour accélérer l’optimisation d’un procédé critique, le revêtement des particules de matériau actif de cathode.

Hitachi High-Tech et le spécialiste japonais des procédés sur poudres Powrex ont achevé une démonstration destinée à rechercher des conditions optimales de revêtement du matériau actif de cathode pour les batteries tout-solide.

Hitachi High-Tech, société du groupe Hitachi spécialisée notamment dans les technologies de mesure et d’analyse ainsi que les équipements industriels, travaille ici sur les batteries tout-solide. Ces batteries remplacent l’électrolyte liquide ou gélifié des batteries lithium-ion conventionnelles par un électrolyte solide.

Cette architecture est étudiée pour son potentiel de densité énergétique élevée et pour améliorer la sécurité en réduisant les risques associés aux électrolytes liquides inflammables. Ces performances restent toutefois étroitement liées aux matériaux employés et à la maîtrise des interfaces au sein de la cellule.

Le revêtement du matériau actif de cathode permettrait pour sa part de limiter la dégradation de la puissance et le vieillissement liés aux réactions pouvant apparaître à l’interface entre ce matériau et l’électrolyte solide. Dans ces batteries, cette interface peut voir se former au cours des cycles de charge et de décharge une composante résistive qui pénalise les performances. Une stratégie consiste à recouvrir les particules de cathode d’un film d’oxyde conducteur des ions lithium afin de limiter ce phénomène.

La difficulté tient à la mise au point du procédé lui-même. L’uniformité du revêtement, son taux de couverture et son épaisseur doivent être maîtrisés, tandis que les paramètres à prendre en compte incluent la composition des matériaux, leur compatibilité avec l’électrolyte solide et les conditions de fonctionnement des équipements. Les revêtements de cathode sont d’ailleurs identifiés dans la littérature scientifique comme l’une des principales voies de stabilisation de l’interface entre cathode et électrolyte solide, aux côtés d’autres stratégies portant notamment sur les matériaux et l’architecture des électrodes.

Un procédé de revêtement piloté par les données

Pour réduire la part d’essais successifs traditionnellement nécessaire, la démonstration associe les données de fonctionnement des équipements de Powrex avec les technologies de mesure et d’analyse de Hitachi High-Tech. Des particules revêtues en lit fluidisé sous différentes conditions de fabrication ont été caractérisées par fluorescence des rayons X (XRF, X-ray fluorescence) et par microscopie électronique à balayage (SEM, scanning electron microscopy). Ces techniques ont été utilisées pour évaluer quantitativement l’épaisseur du revêtement, son uniformité et certaines caractéristiques des interfaces.

Cette approche a permis de raccourcir l’évaluation des échantillons et de réduire la variabilité des résultats de mesure. Les partenaires indiquent également avoir pu établir, à partir des données collectées, des relations entre les conditions du procédé, les propriétés des matériaux et les performances de la batterie. L’objectif n’est donc pas seulement d’automatiser une étape d’analyse, mais de transformer des données de production et de caractérisation en variables exploitables pour le réglage du procédé.

Les données d’exploitation des équipements, les résultats d’anciens essais de revêtement et les mesures obtenues pendant la démonstration ont ensuite été réunis dans une même table de données. Hitachi High-Tech leur a appliqué sa technologie PROACCELA d’informatique des procédés. Cette approche consiste à intégrer et analyser les conditions et les mesures issues des procédés industriels ou expérimentaux afin de prédire des performances et d’identifier des paramètres de fabrication adaptés.

Réduire les itérations avant le passage à l’échelle

L’enjeu industriel est de réduire une démarche qui reposait jusqu’ici largement sur l’expérience d’ingénieurs spécialisés et sur des séries d’essais et de prototypes. À l’issue de la démonstration, Hitachi High-Tech indique avoir identifié des conditions permettant d’obtenir un revêtement de haute qualité et reproductible. L’entreprise estime que cette méthode peut réduire la durée de développement ainsi que le temps nécessaire au démarrage de la production de masse pour ce type de traitement particulaire.

Cette orientation rejoint un enjeu plus large des batteries tout-solide. Les interfaces solide-solide peuvent subir des dégradations mécaniques et électrochimiques susceptibles d’affecter le transport ionique, la stabilité du contact et les performances des cellules. Des travaux scientifiques récents soulignent ainsi l’importance des couches de protection et des revêtements pour limiter certaines réactions interfaciales. L’optimisation du procédé de dépôt devient dès lors un paramètre important, au même titre que le choix du matériau utilisé pour protéger la cathode.

Hitachi High-Tech et Powrex veulent désormais travailler à la commercialisation de cette approche pour la gamme HMAX Industry, dans la perspective d’un développement, autour de 2030, du marché des batteries tout-solide. Les partenaires prévoient également d’étendre la méthode à d’autres revêtements et matériaux de batterie, puis potentiellement à des procédés relevant des matériaux haute performance, de la pharmacie et de la chimie. L’intérêt de la démonstration réside ainsi moins dans une nouvelle chimie de batterie que dans une nouvelle manière de développer et régler un procédé industriel complexe, en combinant expertise métier, instrumentation et intelligence artificielle.