Projet ANR-13-DESC-0002 – ROBOBAT : Développement d'une batterie bipolaire écologique et sécuritaire à base de nickel-zinc pour l'alimentation d'un robot
Programme : DEFI SUR LE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE ASSOCIE A DES ROBOTS TELECOMMANDES (DESCARTES)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Robert ROUGET (SOCIETE DE CONSEIL ET DE PROSPECTIVE SCIENTIFIQUE)
Partenaires : Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Énergies Nouvelles et les Nanomatériaux; SOCIETE DE CONSEIL ET DE PROSPECTIVE SCIENTIFIQUE
Montant : 499588.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 36 mois
Résumé : Développement d’une batterie nickel-zinc bipolaire écologique et sécuritaire pour l’alimentation d’un RobotLa technologie nickel-zinc en format bipolaire respecte l’environnement grâce à l’absence de plomb et de cadmium et la compatibilité avec la réglementation REACH, améliore les densités de puissance et d’énergie grâce à la technologie bipolaire. Cette technologie permet une grande flexibilité en termes d’énergie et  de puissance. La collecte frontale permet en particulier de ne pas limiter la taille des électrodes grâce à une meilleure distribution du courant électrique.
Conception et développement d’une architecture bipolaire de batteries nickel-zinc à haute cyclabilitéLes  batteries nickel-zinc commercialisées jusqu’à présent sont en format cylindrique et fournissent un nombre de cycle limité qui ne rend pas nécessaire la mise en œuvre de la technologie bipolaire. L’objectif du projet consiste à développer une architecture bipolaire de batteries nickel-zinc à haute cyclabilité pour répondre au cahier des charges pour alimenter un robot ou d’autres systèmes avec des contraintes de : -	réglementation environnementale (REACH),-	 densité d’énergie,-	flexibilité mécanique,-	flexibilité en tension électrique et puissance,-	coût.Le concept proposé dans le projet ROBOBAT apporte des solutions pour répondre au cahier des charges:-	 tension fournie U = 12 à 20 V,-	 courant permanent de décharge I = 8 A,-	 courant crête IMAX = 16 A,-	capacité à minima de 1 Ah.En croisant les compétences des partenaires, le prototype sera basé sur unebatterie de technologie nickel-zinc SCPS à haute cyclabilité, dont les performances sont démontrées, et sur la technologie Li-ion bipolaire en développement au CEA.Le démonstrateur sera constitué de 9 cellules empilées en mode bipolaire avec des dimensions d’environ 10 x 10 cm.La taille de la batterie finale sera de 10 x 10 x 5 cm environ.Ce modèle de batterie bipolaire nécessite une conception soignée, afin de prévenir les sources de défaillance de la batterie :-	les cellules doivent être isolées électriquement entre elles, mais interconnectées via les électrodes et l’électrolyte retenu dans les électrodes et le séparateur pour éviter des courants de fuite,-	les compartiments des cellules doivent être hermétiques pour éviter des fuites  d’électrolyte, mais permettre l’évacuation des gaz grâce à une soupape de sécurité qui sera intégrée, par exemple, au niveau de l’enveloppe globale de la batterie.Ces contraintes mènent à des verrous bien connus des concepteurs de batteries bipolaires, mais elles devraient connaître des solutions originales dans le cadre du projet ROBOBAT.
Identifications des verrous. Solutions à mettre en œuvreLes techniques et matériaux nécessaires à la fabrication des électrodes de nickel et de zinc sont  identifiés grâce aux travaux de SCPS. Les collecteurs sont des mousses de nickel (positive) et de cuivre (négative).- association paroi métallique/électrodes : les parois qui assurent la liaison électrique avec les électrodes et l’étanchéité  seront constituées de feuillards métalliques, nickel (électrode positive) et cuivre (électrode négative). La liaison feuillards/électrodes se fera par soudure « par points » ou brasage préalable de la mousse support . La première option sera préférée dans une première phase.- association des électrodes : les électrodes de polarité opposée sont assemblées via les feuillards nickel et cuivre par soudure, collage par colle conductrice…- étanchéité des compartiments : l’électrolyte qui rempli chaque cellule élémentaire doit rester confiné dans la cellule. Des cadres en résine équipés de joints et  dans lesquels sont logés les cellules  est une première approche (montage dit « filtre-presse »), des tirants assurant la compression et l’étanchéité. L’étanchéité est déterminante pour le bon fonctionnement du montage bipolaire : absence de shunt, mais aussi de pertes d’un électrolyte dont la quantité est réduite.- soupape : une soupape reliée à l’ensemble des compartiments sera mise en place pour éviter une surpression interne en facilitant la recombinaison des gaz. - quantité d’électrolyte : elle doit être ajustée pour assurer la continuité ionique entre électrodes sans réduire l’accès de l’oxygène formée en fin de charge  aux sites de recombinaison de l’électrode de zinc. Des électrolytes gels sont envisagés.- en fonction de l’évolution des résultats obtenus avec le montage décrit ci-dessus, un surmoulage des plaques bipolaires est envisageable, ce surmoulage assurant l’étanchéité et la cohésion du montage.- les solutions mises en œuvre prendront en compte une fabrication industrielle des batteries nickel-zinc bipolaires.
Résumé de la soumission : Le principal objectif de ce projet consiste à développer une solution de stockage de l’énergie par une batterie à structure bipolaire à base d’une classe de matériaux ultra-sécuritaires et respectueuse de l’environnement. En raison de ses importants progrès techniques, la classe de matériaux choisi s’est porté vers le Ni-Zn à haute cyclabilité (technologie SCPS). La technologie développée dans le projet permettra de répondre au cahier des charges pour l’alimentation d’un robot, tout en offrant beaucoup de souplesse pour s’adapter à d’autres contraintes.
Résultats : A l’issue de la première année de travaux plusieurs problèmes ont été identifiés et résolus en partie.
- étanchéité des joints : les problèmes de fuites au niveau des joints ont été résolus par l’utilisation de deux  joints toriques.
- poche de gaz: a été observée durant la formation de batteries entre électrode de zinc et séparateur. Problème résolu.
- assemblage électrodes/feuillards : la fabrication des électrodes de nickel à partir d’un support mousse soudé sur le feuillard pose problème dès lors que l’ensemble est compressé pour assurer la cohésion mousse-matière active. Les électrodes de nickel sont préparées avant assemblage, en laissant des zones de mousse libres de matière active pour permettre la soudure de l’électrode sur le feuillard. Des fuites d’électrolyte liées au percement du feuillard de bronze trop mince (80 µm) pour résister à la soudure conduisent à une décroissance de la capacité de 2 cellules de 1,5 Ah  en série. L’augmentation de l’épaisseur du feuillard bronze (125 µm) supprime les fuites, et la capacité est stable sur plus de 100 cycles malgré des pertes liées à des fissures du feuillard de nickel à l’emplacement des soudures. L’étanchéité au niveau des joints toriques est bonne. 
-	plusieurs actions sont engagées pour résoudre ces problèmes : l’augmentation de l’épaisseur du feuillard de nickel et l’utilisation d’autres techniques de soudure (laser, ultra-sons), le collage de l’électrode de zinc sur le feuillard par voie électrochimique. Cette dernière solution donne déjà des résultats positifs e permet de supprimer toute soudure, la liaison électrode/feuillard se faisant lors de la première charge.
-	des essais sont également en cours avec des électrodes plus épaisses pour augmenter la capacité surfacique et donc l’énergie de la batterie à tension donnée. La puissance disponible est compatible avec le cahier des charges.
-	Une  cellule de plus grande taille est réalisée pour répondre aux nouvelles dimensions demandées par la DGA.
Perspectives : Les résultats obtenus à T0+15 permettent d'envisager des progrès plus rapides dans les mois à venir. 
En cas de succès, la technologie bipolaire  constituerait un avantage supplémentaire pour la batterie nickel-zinc, au moment où  plusieurs grands groupes (citons Enersys, NGK) s'investissent pour commercialiser ce système électrochimique dans les 2 à 3 années qui viennent.
Publications et brevets : Il n'y a pas eu de productions scientifiques ou de brevets en l'état, certaines des techniques mises en  œuvre demandent encore confirmation.