Le monde de la technologie est en constante recherche de progrès, et l'un des domaines les plus critiques où l'innovation est non seulement souhaitable mais nécessaire est le stockage de l'énergie. Nos batteries modernes, malgré des décennies de perfectionnement, peinent souvent à suivre le rythme des demandes croissantes des technologies de pointe telles que les véhicules électriques ou les applications dans des conditions extrêmes. Mais dans cet environnement difficile, naissent des idées qui ont le potentiel de changer fondamentalement la donne.

Une telle étincelle d'innovation a jailli à l'Université de Californie à San Diego (UC San Diego), alimentée par la curiosité inhabituelle d'un étudiant diplômé. En observant une banale bombe d'air comprimé pour nettoyer les claviers, il s'est demandé si un principe similaire pouvait être appliqué dans le monde des batteries. Cette idée initiale, soutenue par un écosystème universitaire qui favorise la recherche et la liberté de création, s'est transformée en une nouvelle technologie de batterie prometteuse capable d'améliorer considérablement les performances, la sécurité et la polyvalence des batteries. Cette histoire illustre comment la curiosité fondamentale, avec un soutien adéquat, peut conduire à des découvertes révolutionnaires.

Le besoin d'une renaissance énergétique dans l'industrie des batteries

La technologie lithium-ion existante, commercialisée il y a plus de trois décennies, se heurte à des limites inhérentes. Bien que des améliorations significatives en termes de densité énergétique et de réduction des coûts aient été réalisées, en grande partie grâce aux progrès des processus de fabrication, la chimie fondamentale – qui repose sur une anode en graphite, une cathode en oxyde métallique et un électrolyte liquide – est restée largement inchangée. Initialement conçues pour l'électronique grand public comme les téléphones portables et les ordinateurs portables, ces batteries sont désormais massivement intégrées dans des systèmes beaucoup plus importants, tels que les véhicules électriques, ce qui impose des changements radicaux dans la composition chimique.

Des experts du monde entier explorent diverses alternatives, notamment les anodes en silicium, les cathodes en soufre et les électrolytes à l'état solide. Chacune de ces approches présente ses propres avantages et inconvénients. Par exemple, les électrolytes à l'état solide promettent une densité énergétique et une sécurité accrues, mais leur production de masse pourrait être plus coûteuse et nécessiter des temps de développement plus longs. Par conséquent, la recherche d'une technologie transformatrice qui répondra aux futurs besoins énergétiques est plus intense que jamais. Il est probable qu'une combinaison de plusieurs technologies sera utilisée pour différentes applications – les véhicules électriques haut de gamme, les voitures plus abordables, les aéronefs et les drones auront des exigences spécifiques que la technologie actuelle peut difficilement satisfaire.

South 8 Technologies : La révolution par le gaz liquéfié

Dans cet environnement dynamique, se distingue la société South 8 Technologies, une startup fondée et dirigée par d'anciens étudiants de l'UC San Diego. Leur contribution la plus significative est la technologie brevetée d'électrolyte à base de gaz liquéfié (Liquefied Gas Electrolyte ou LiGasⓇ), qui a été reconnue comme l'une des 200 meilleures inventions de 2024 par le magazine TIME. En remplaçant les électrolytes liquides conventionnels des batteries lithium-ion par des gaz liquéfiés, les batteries South 8 atteignent un record mondial de plage de température de fonctionnement : de -60 à +60 degrés Celsius. À titre de comparaison, les batteries lithium-ion standard perdent de leurs performances dès 0 ou -10 degrés Celsius.

Outre une résistance thermique impressionnante, ces batteries offrent également une densité énergétique par cellule plus élevée et une sécurité considérablement améliorée. Cyrus Rustomji, directeur scientifique et cofondateur de South 8, qui a obtenu son doctorat à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego en 2015, souligne un autre avantage clé : les matériaux nécessaires à la production des batteries LiGasⓇ, y compris les gaz industriels disponibles sur le marché, sont produits en grandes quantités aux États-Unis. Cela élimine la dépendance vis-à-vis des fournisseurs étrangers, ce qui constitue une étape importante vers l'indépendance énergétique et la sécurité de la chaîne d'approvisionnement. Rustomji a cofondé l'entreprise avec une collègue, également ancienne étudiante en nano-ingénierie à l'UC San Diego, Jungwoo Lee.

D'une bombe d'air comprimé à une percée technologique

La découverte initiale qui a conduit à la technologie LiGasⓇ s'est produite pendant les études doctorales de Rustomji à l'UC San Diego. Comme il le dit lui-même, l'idée lui est venue alors qu'il était assis à son bureau. "Vous connaissez peut-être ces petites bombes d'air comprimé utilisées pour nettoyer les claviers. J'en regardais une et je me demandais ce qu'il y avait réellement à l'intérieur. J'ai retourné la bombe et j'ai lu : 'difluoroéthane'."

Le difluoroéthane, comme Rustomji l'a rapidement compris, est un gaz unique qui peut être liquéfié sous une pression modérée. Il n'est pas toxique, mais il est suffisamment polaire pour dissoudre les sels, une propriété essentielle pour un électrolyte. Comme il s'agit essentiellement d'un gaz, il ne gèle qu'à des températures extrêmement basses. "Je me suis demandé si cela pourrait permettre de créer un électrolyte à basse température – liquide à l'intérieur de la cellule sous pression – et ainsi ouvrir la voie à des applications de batteries fonctionnant à des températures ultra-basses", se souvient Rustomji. Des recherches plus approfondies ont confirmé ses hypothèses, révélant des performances extraordinaires à basses températures.

Avec le temps, l'équipe a réalisé que cette technologie offrait également d'autres avantages, tels qu'une sécurité accrue, une densité énergétique plus élevée et des capacités de charge rapide, ce qui est particulièrement important pour les véhicules électriques. "Nous avons réalisé que nous pouvions vraiment faire quelque chose avec ça", dit Rustomji. La décision de fonder South 8 Technologies était une suite logique, dans le but de commercialiser cette technologie prometteuse.

Le rôle du soutien universitaire et du financement

Le développement de la technologie LiGasⓇ n'aurait pas été possible sans le soutien solide de l'Université de Californie à San Diego. Rustomji souligne l'excellence de son école d'ingénieurs et le mentorat inestimable de la professeure de nano-ingénierie Shirley Meng, une experte mondialement reconnue dans le domaine des matériaux pour batteries. Ses conseils lui ont permis d'acquérir une compréhension fondamentale de l'état actuel de la technologie des batteries et des besoins futurs.

L'accès à des équipements et à des ressources de pointe a également été crucial. L'installation de nanofabrication Nano3 (nanofabrication cleanroom facility), dont la création a été largement financée par la National Science Foundation (NSF), a joué un rôle déterminant dans les premières étapes de la compréhension des technologies des batteries. "Nano3 dispose d'un excellent choix d'outils spectroscopiques et métrologiques, tels que le MEB (microscope électronique à balayage), le FIB (faisceau d'ions focalisé) et l'E-beam (lithographie par faisceau d'électrons), qui nous ont énormément aidés à comprendre les interactions fondamentales au sein du dispositif de batterie", explique Rustomji. "L'UC San Diego dispose tout simplement d'outils formidables qui permettent une meilleure compréhension fondamentale des matériaux avancés que nous développions. Sans ces capacités et ces instruments, nous ne serions pas là où nous en sommes aujourd'hui."

La collaboration ne s'est pas limitée à l'UC San Diego. L'équipe a également utilisé des laboratoires de l'Université de Californie à Irvine (UC Irvine) voisine pour la caractérisation par microscopie électronique en transmission (MET). L'Institut de recherche sur les matériaux de l'UC Irvine est également partiellement soutenu par la NSF, ce qui témoigne de la force du réseau de collaboration au sein du système de l'Université de Californie.

De nombreux professeurs du campus, dont Ping Liu, Shirley Meng et Zheng Chen (tous du Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering), ont volontiers apporté leur aide et collaboré au projet. Concernant les ressources financières, alors même que Rustomji était étudiant diplômé, l'équipe a obtenu des fonds de l'ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy). "Le ministère de l'Énergie nous a financés avec une petite subvention, ce qui a réellement stimulé cette innovation et m'a permis de me consacrer à plein temps sur le campus aux applications et à la technologie", souligne Rustomji. Au cours de ses études postdoctorales, il a postulé avec succès à des subventions de recherche sur l'innovation dans les petites entreprises (Small Business Innovation Research) de la NSF et de la NASA. Ces fonds ont permis d'achever son travail postdoctoral et de se consacrer entièrement à l'entreprise.

Applications et avenir de la technologie LiGasⓇ

La capacité des batteries LiGasⓇ à fonctionner dans des froids extrêmes a attiré l'attention de l'armée américaine, qui les teste pour alimenter des appareils de communication dans les régions ultra-froides. Les contrats avec l'armée confirment la robustesse et la fiabilité de la technologie dans les conditions les plus exigeantes. Les constructeurs automobiles manifestent également un intérêt significatif, reconnaissant le potentiel de ces batteries pour faire progresser le marché des véhicules électriques, notamment en termes d'autonomie et de performances dans diverses conditions climatiques, ainsi que de sécurité.

La société South 8 Technologies, basée à San Diego, en Californie, prouve que même les régions qui ne sont pas connues pour leurs températures extrêmes peuvent être un terrain fertile pour le développement de solutions conçues précisément pour de telles conditions. Rustomji plaisante en disant qu'il n'aime pas le froid et que c'est pourquoi il voulait trouver une solution énergétique pour y remédier. Mais, plus sérieusement, l'écosystème du sud de la Californie, en particulier à San Diego, s'est avéré extrêmement favorable.

"Premièrement, il y a l'UC San Diego, qui comprend également la Rady School of Management. À proximité se trouve la San Diego State University, qui forme également des ingénieurs et des scientifiques talentueux. Nous avons eu des diplômés des deux universités qui ont rejoint notre équipe", déclare Rustomji. "San Diego offre bien plus qu'un climat agréable."

Un soutien supplémentaire est fourni par le Southern California Energy Innovation Network (SCEIN), un réseau qui met en relation les entrepreneurs locaux, permet l'échange d'informations sur les opportunités de financement provenant de sources fédérales ou étatiques et aide à établir des liens avec les investisseurs en capital-risque. "Cette opportunité de réseautage a été vraiment inestimable", ajoute Rustomji. "Je pense que San Diego est souvent sous-estimée en tant que centre d'innovation et d'entrepreneuriat. Mais beaucoup de choses formidables se font ici, non seulement dans les technologies propres, mais aussi dans les industries du matériel et des logiciels. Beaucoup de grandes innovations se produisent à San Diego."

Messages pour les futurs innovateurs

L'année prochaine, South 8 Technologies fêtera son dixième anniversaire en tant que startup. Lorsqu'on lui demande quel conseil il donnerait aux ingénieurs et entrepreneurs en herbe qui envisagent de créer leur propre entreprise, Rustomji répond : "Soyez amoureux de ce que vous faites et aimez les gens avec qui vous le faites. Ce sera un voyage, pas un sprint. Et seuls ceux qui aiment ce qu'ils font et avec qui ils le font réussiront à la fin."

Et quelle serait la batterie parfaite, et la créerons-nous un jour ? "La batterie parfaite serait intrinsèquement très sûre, ne se déchargerait jamais, se chargerait et se déchargerait encore et encore pendant des millions de cycles, se chargerait aussi vite que vous le souhaitez et ne coûterait presque rien", dit Rustomji. "Mais le plaisir d'être scientifique ou ingénieur, c'est de savoir que c'est un rêve. Le plaisir, c'est de devenir de meilleur en meilleur, de se rapprocher le plus possible de cette batterie de rêve et de réaliser ces améliorations. Sinon, si la batterie parfaite existait, cela enlèverait le plaisir du processus d'innovation. Et cela peut s'appliquer à n'importe quelle technologie. Rien n'est jamais parfait, et je pense que c'est précisément l'imperfection qui rend l'innovation si amusante."

Le développement d'une technologie comme LiGasⓇ montre que nous sommes sur la bonne voie pour résoudre certains des plus grands défis du stockage de l'énergie, ouvrant la voie à de nouvelles possibilités dans de nombreuses industries et nous rapprochant d'un avenir avec des solutions de batteries plus fiables, plus sûres et plus polyvalentes.

Source : University of California