Depuis 2015, année où une équipe japonaise a montré que le potassium pouvait s'intercaler électrochimiquement dans du graphite, la technologie K-ion suscite un intérêt croissant et des centaines de publications par an. Logique : elle fonctionne sans nickel, cobalt, lithium et cuivre, des matériaux critiques et/ou toxiques, et recourt à des procédés de fabrication bien moins énergivores que le lithium-ion.
De futures batteries au niveau du LFP graphite
Les dernières avancées du Liten s'inscrivent dans ce mouvement de fond. Elles montrent qu'au-delà de ces atouts, les cellules K-ion affichent des performances prometteuses. « Nous avons mesuré des capacités de décharge de 116mAh/g à 3,6 V et une capacité résiduelle de 80% après 120 cycles, détaille David Peralta, responsable de la thématique au Liten. Cela laisse présager de futurs produits qui pourraient faire jeu égal avec le LFP/graphite. »
Ces résultats sont issus d'une thèse réalisée de 2021 à 2024, qui a donné lieu à deux dépôts de brevets et une publication. Son objectif : mettre au point un système complet, en développant en parallèle un matériau de cathode à base de fer et de manganèse, le Blanc de Prusse ; un graphite spécifique pour l'anode, différent de celui utilisé en Li-ion ; un électrolyte qui compense la forte réactivité du potassium et ainsi, évite une perte de capacité en cyclage.
Prochaine étape : améliorer à la fois cellules et matériaux
« Chaque sujet a été abordé, mais l'assemblage et l'optimisation des cellules ne l'ont pas été faute de temps. Cela dit, il n'y a plus de verrou majeur à lever, mais de multiples améliorations à réaliser sur la cellule et sur ces matériaux. C'est ce qui nous rend optimistes pour la suite. »
Un exemple : la synthèse du Blanc de Prusse (par précipitation dans l'eau à température ambiante) a progressé jusqu'à obtenir 20 grammes par batch, au lieu d'1gramme au départ. En revanche, la morphologie des particules laisse à désirer : soit elles sont de taille nanométrique, soit ce sont des macles aux formes irrégulières. « Avec des particules sphériques, plus faciles à compacter, nous pourrons augmenter de façon significative la densité de matière active dans la cathode, donc la densité d'énergie. »
Trois projets simultanés pour accélérer les travaux
Les chercheurs prévoient déjà une deuxième génération de cellules K-ion, dans laquelle matériaux et cellules seront optimisés conjointement ; puis une troisième qui explorera des matériaux alternatifs pour identifier de nouveaux leviers de progrès.
Cette perspective se traduit par une nouvelle série de projets, qui visent à faire progresser les performances et à faire monter en maturité les cellules K-ion. On notera enfin que le sujet est porteur mais nécessitera encore des années de recherche. C'est dire si le K-ion suscite de grands espoirs.
Crédit CEA - D. Guillaudin