- Les batteries rechargeables à couche mince atteignent des courants d'impulsion de 600 mA et des taux de décharge jusqu'à 60C.
- Elles garantissent une stabilité d'environ 1 000 cycles et peuvent fonctionner à haute température jusqu'à 150 °C.
- Ces batteries intéresseront particulièrement les étiquettes IoT nécessitant une source de stockage énergétique fiable, compacte et intégrable.
- La technologie à semi-conducteurs assure une meilleure résistance que les piles primaires jetables, réduisant les déchets sans éliminer la nécessité d'un stockage adapté.
Depuis 2023, une quinzaine d'employés travaillent à Dübendorf, près de Zurich, au perfectionnement d'une batterie à couche mince à l'état solide. Seules quelques entreprises dans le monde maîtrisent ce processus de production complexe. L'objectif est de produire pour la première fois des quantités plus importantes à partir de 2027.
Plus d'une dizaine de partenaires industriels testent actuellement les performances de la batterie dans diverses applications. L'approche d'une batterie rechargeable sans électrolyte liquide est considérée comme prometteuse et pourrait établir de nouvelles normes pour les dispositifs de stockage d'énergie ultra-minces et intégrables.
Entretien avec Moritz Futscher, PDG et cofondateur de BTRY, et Jeronimo von Ah, directeur des opérations commerciales chez BTRY.
Moritz, jusqu'en 2023, vous étiez scientifique à l'ETH Zurich, puis soudainement, presque du jour au lendemain, vous êtes devenu entrepreneur. Qu'est-ce qui a changé ?
Moritz Futscher : Une grande leçon que nous avons apprise est qu'en tant que scientifiques, nous optimisons constamment : nous testons de nouvelles idées, essayons des améliorations, faisons parfois un pas en avant et deux pas en arrière afin de nous améliorer au final.
En tant que start-up, cependant, cette logique ne fonctionne que dans une mesure limitée. Nous ne pouvons pas nous permettre d'introduire constamment de nouvelles approches qui nous font prendre du retard dans notre calendrier. Au contraire, nous devons améliorer le produit existant de manière ciblée, idéalement en utilisant les matériaux et les processus dont nous disposons déjà. L'accent est mis sur la mise à l'échelle et l'optimisation, et non sur la réinvention constante de nous-mêmes.
Cela signifie que nous avons beaucoup d'autres idées que nous pourrions mettre en œuvre plus tard. Mais nous devons nous retenir activement et consciemment ne pas les poursuivre afin de rester concentrés, afin de pouvoir obtenir rapidement des résultats solides.
Jeronimo, pourquoi les batteries rechargeables à couche mince sont-elles particulièrement pertinentes à l'heure actuelle ?
Jeronimo von Ah : De nombreux fabricants d'électronique travaillent actuellement sur la prochaine génération d'appareils, qui seront mieux connectés, plus durables et plus petits que tous les précédents. Ces appareils ont besoin d'une alimentation électrique haute performance au format micro.
De plus, la récupération d'énergie est fermement prévue dans bon nombre de ces appareils. Une fois l'énergie récupérée dans l'environnement, le système a presque toujours besoin d'un tampon, c'est-à-dire d'un élément de stockage qui stocke temporairement l'énergie, absorbe les pics de charge et comble les périodes où aucune énergie ambiante n'est disponible. C'est exactement là que les solutions rechargeables comme nos batteries sont recherchées.
La récupération d'énergie désigne l'extraction de petites quantités d'énergie de l'environnement (par exemple, la lumière, les ondes radio, les différences de température ou les vibrations) pour alimenter partiellement ou temporairement des systèmes. La méthode la plus appropriée dépend fortement de l'emplacement, des besoins en énergie et des coûts du système. Les panneaux solaires sont souvent particulièrement intéressants pour les étiquettes, car ils sont très fins, faciles à intégrer et peu coûteux.
Quelles sont les spécifications techniques de la batterie, c'est-à-dire les valeurs typiques pour la capacité, la résistance interne/ESR, le courant d'impulsion maximal, les taux de charge/décharge (taux C) et la stabilité du cycle ?
Jeronimo von Ah : Nous développons actuellement des capacités allant jusqu'à 10 mAh. Ces batteries atteignent des taux de décharge allant jusqu'à 60C, ce qui signifie que des courants d'impulsion allant jusqu'à 600 mA sont possibles.
Le taux C décrit la quantité de courant qu'une batterie peut fournir par rapport à sa capacité nominale – « C » signifie toujours par heure: 1C signifie théoriquement déchargé/chargé en 1 heure, 2C en 0,5 heure, 60C en 1/60 heure (= 1 minute). Le courant I (ampérage) est calculé comme suit :
I = taux C × capacité (en Ah)
À 10 mAh (= 0,01 Ah) et 60C, cela correspond à I = 60 × 0,01 A = 0,6 A, soit jusqu'à 600 mA.
Ces 600 mA doivent être compris comme un courant pulsé ou de crête. Les courants pulsés sont de brèves pointes de courant (par exemple lors d'une transmission radio) spécifiées par la durée de l'impulsion et souvent par un rapport cyclique, c'est-à-dire la fraction de temps pendant laquelle l'impulsion est active (durée de l'impulsion divisée par la période de répétition). Le terme « courant de crête » est souvent utilisé comme synonyme du courant pulsé maximal.
La stabilité du cycle est d'environ 1 000 cycles. Nous prévoyons également des capacités nettement plus élevées à l'avenir.
Quelle est la pertinence des batteries à couche mince à semi-conducteurs par rapport aux produits « sans batterie »/à récupération d'énergie ?
Moritz Futscher : Nous entendons régulièrement des acteurs du marché affirmer que les batteries ne sont « pas une bonne option » et ne représentent pas l'avenir à long terme, en particulier par rapport aux approches de récupération d'énergie, c'est-à-dire les produits alimentés par de petites cellules solaires, par exemple, et présentés comme « sans batterie ». Ces affirmations sont compréhensibles, car les avantages semblent importants à première vue : moins d'entretien, moins de déchets, un discours clair en faveur du développement durable.
Mais cette vision est incomplète. Dans la pratique, de nombreuses applications ont besoin d'un élément de stockage malgré la récupération d'énergie afin de pallier les pannes et les fluctuations, par exemple la nuit, à l'intérieur ou dans les zones ombragées. Cet élément de stockage peut également être un condensateur, mais celui-ci n'est souvent pas suffisant si l'énergie doit être stockée pendant une longue période ou si les pics de charge doivent être couverts de manière fiable.
La question clé n'est pas « batterie oui/non », mais plutôt quel type de batterie et dans quel but. Aujourd'hui, les piles boutons primaires, en particulier, posent un énorme problème. Elles sont utilisées en très grandes quantités, puis jetées. C'est précisément là qu'interviennent les solutions de stockage rechargeables et très compactes.
Les batteries à semi-conducteurs à couche mince sont pertinentes dans ce contexte, car elles sont rechargeables, peuvent être intégrées dans des formats très petits et, selon leur conception, utilisent des matériaux et des profils de sécurité différents de ceux des piles classiques. L'objectif n'est pas de remplacer toutes les alimentations électriques, mais de remplacer une logique spécifique de déchets et de remplacement (piles primaires) dans des applications appropriées.
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Dans la concurrence, il semble souvent que les batteries « sans pile » et les batteries à couche mince s'excluent mutuellement.
Jeronimo von Ah : Cela peut sembler vrai à première vue. En réalité, cependant, différentes catégories de produits avec des niches différentes apparaissent. La récupération d'énergie est efficace lorsque la lumière est disponible de manière fiable dans l'environnement et que la puissance de sortie est suffisante. Les batteries à semi-conducteurs à couche mince sont intéressantes lorsque la prévisibilité, l'intégration, la durée de vie, la taille et la rechargeabilité sont cruciales, et dans les domaines où les piles primaires peuvent être remplacées de manière réaliste.
Les deux approches apportent une réponse concrète à un problème très spécifique, à savoir les microbatteries qui sont jetées en masse. La récupération d'énergie est une approche puissante, mais elle ne remplace pas automatiquement le stockage. Au final, plusieurs voies coexisteront probablement, car elles répondent à des exigences différentes dans le produit final.
Pourquoi les batteries à semi-conducteurs à couche mince sont-elles si pertinentes dans les autoclaves à des températures pouvant atteindre 150 °C ?
Jeronimo von Ah : L'autoclavage ne consiste pas seulement en une « chaleur à court terme », mais en des cycles répétés de température, de pression et d'humidité. Les batteries classiques, en particulier les petites cellules, les piles boutons ou les pochettes Li-ion, ne sont souvent pas conçues pour cela.
Les batteries à couche mince à semi-conducteurs sont intéressantes dans ce cas, car elles ne nécessitent pas d'électrolytes liquides et peuvent être intégrées hermétiquement en couches. Cela les rend plus résistantes à la chaleur et permet de les concevoir pour qu'elles résistent à ces cycles de stérilisation, ce qui peut être un véritable catalyseur pour les capteurs stériles, les trackers ou les dispositifs médicaux intelligents.
Notre batterie ne contient aucun électrolyte liquide. Elle peut ainsi fournir de l'énergie de manière fiable à des températures pouvant atteindre 150 °C pendant de nombreux cycles.
Bien sûr, comme pour toutes les batteries, une dégradation se produit avec le temps, et celle-ci est quelque peu accélérée à des températures très élevées. Cependant, les performances exactes après 100 cycles à haute température dépendent de nombreux facteurs.
Les batteries peuvent-elles également être équipées d'un écran ?
Moritz Futscher : Oui, en principe, une étiquette équipée d'une batterie peut également être combinée avec un écran, ce qui est particulièrement intéressant avec des écrans très fins, parfois même flexibles, tels que les écrans E-Ink. Bien que ces écrans nécessitent de l'énergie, ils présentent un avantage majeur : ils consomment très peu d'énergie en mode veille.
Ils peuvent maintenir une image générée sans consommer beaucoup d'énergie en continu. Ils ne consomment beaucoup d'énergie que lorsque l'image est mise à jour, car cela nécessite de courtes pointes de puissance ou de courant élevées.
C'est précisément là que les batteries traditionnelles atteignent souvent leurs limites. Elles ne peuvent pas fournir ces pics de puissance, ou elles doivent être surdimensionnées, ce qui rend l'étiquette plus grande, plus épaisse et plus coûteuse. Les batteries à semi-conducteurs à couche mince peuvent résoudre ce problème, car elles offrent non seulement le format adéquat, très fin et facile à intégrer, mais occupent également une position intermédiaire entre un supercondensateur et une batterie en termes de pics de courant.
Cela permet de fournir des courants de pointe nettement plus élevés (de l'ordre de 20 à 30 fois supérieurs à ceux des batteries conventionnelles), ce qui permet de commuter de manière fiable des écrans tels que l'E-Ink sans avoir à concevoir une batterie inutilement grande.
