Une startup appelée Material Hybrid Manufacturing tente d'utiliser la « géométrie » plutôt que des formules chimiques pour piloter la prochaine révolution des batteries. L'entreprise a été fondée en 2023 par Gabe Elias, un ingénieur qui a auparavant travaillé pour l'équipe Mercedes-AMG F1 et Rivian. Elle a développé un processus d'impression 3D capable d'« imprimer » directement des systèmes de batterie complets sur diverses surfaces et structures courbes, ce qui devrait briser les contraintes des cellules de batterie carrées et cylindriques traditionnelles sur la conception des appareils.
Plus tôt cette année, Material a remporté un contrat de 1,25 million de dollars de l'US Air Force pour démontrer la faisabilité de cette technologie de batterie imprimée en 3D pour le matériel de défense et aérospatiale dans un délai de 18 mois, en se concentrant sur la démonstration de la manière dont les « batteries déformables » capables de se plier et de s'adapter aux surfaces structurelles peuvent libérer la liberté de conception. Sur cette voie émergente, la société est en concurrence avec des concurrents tels que Sakuú de la Silicon Valley et Blackstone Technology en Allemagne pour saisir l'opportunité de commercialiser des batteries imprimées, en ciblant particulièrement les scénarios de petits systèmes où « la forme détermine la fonction ».
La plate-forme exclusive de Material, Hybrid3D, est capable d'imprimer tous les composants clés d'une batterie (anode, cathode, séparateur et boîtier) couche par couche, sans avoir besoin de moules ou d'outils traditionnels. Le système combine les principes de l'impression jet d'encre à écriture directe et de la modélisation du dépôt par fusion pour déposer séquentiellement des matériaux actifs avec une épaisseur de couche de 100 à 150 microns, puis injecter de l'électrolyte liquide pour compléter le cœur de la batterie. La société développe également actuellement une version à semi-conducteurs comme produit de suivi.
Contrairement aux modèles de fabrication traditionnels qui reposent sur des boîtiers métalliques, des barres omnibus et des faisceaux de câbles massifs, cette méthode d'impression peut intégrer « invisiblement » la batterie dans la structure existante. Sur les drones, les batteries devraient être réparties le long des ailes ou des bras ; sur les appareils portables, les batteries peuvent être courbées et réparties le long des montures des lunettes intelligentes, au lieu de constituer un module de batterie de forme fixe. Dans une interview avec IEEE Spectrum, Elias a déclaré que le processus Hybrid3D peut s'adapter à presque toutes les formes géométriques, tout en restant flexible dans le système chimique de la batterie. Il peut basculer entre NMC 811, NMC 111, lithium fer phosphate (LFP), titanate de lithium et d'autres systèmes en modifiant les matériaux d'entrée et les paramètres logiciels.
L’équipe fondatrice de Material s’est initialement concentrée sur l’industrie automobile, dans l’espoir de créer des batteries sur mesure pour les véhicules électriques. Mais ils ont vite découvert que l’espace total d’aménagement des véhicules électriques est relativement généreux. Par exemple, la batterie de 135 kWh d’une camionnette Rivian peut accueillir plus de 7 700 cellules cylindriques, de sorte que les avantages marginaux de l’optimisation de la forme sont limités. En revanche, les petits drones, les équipements individuels des soldats et les équipements électroniques grand public de nouvelle génération sont confrontés à des contraintes d'espace plus strictes, et les batteries deviennent souvent des « adaptateurs passifs ». Comme l'a dit Elias, divers composants électroniques sont constamment intégrés, intégrés et optimisés, mais la batterie est la seule partie de l'équation qui n'a pas évolué simultanément.
Pour passer du concept à la preuve de concept, Material s'est associé au fabricant de drones Performance Drone Works (PDW) pour équiper l'un de ses drones de batteries. Tout en occupant le même volume que la batterie d'origine à 48 cellules, la batterie imprimée par Material a obtenu une augmentation de 50 % de la densité énergétique et une augmentation de 35 % de l'utilisation de l'espace interne. Selon les calculs de l’équipe, cette amélioration de l’efficacité devrait se traduire par un doublement de la distance de vol ou une augmentation significative de la capacité de charge utile tout en conservant la même portée. Si la technologie est encore développée, la batterie peut être directement « inscrite » dans la structure de la carrosserie ou même dans le carter du moteur, annulant fondamentalement le module de batterie au sens traditionnel du terme.
Dans les scénarios militaires, la valeur potentielle de cette technologie est particulièrement évidente : des systèmes d'alimentation individuels plus légers et plus ergonomiques et une intégration directe des alimentations dans les casques pour prendre en charge des équipements optiques et des systèmes de communication hautes performances. Elias a rappelé que lorsqu'il travaillait chez Mercedes-AMG, il avait essayé de disposer les cellules de la batterie autour du siège du pilote de F1 pour optimiser l'aérodynamisme et la répartition du poids, mais il avait finalement été abandonné car la complexité mécanique était trop élevée. Cette expérience a également contribué à l’idée ultérieure de fabrication additive consistant à « faire de la batterie une partie de la structure ».
Selon lui, il s'agit d'une voie inévitable pour poursuivre le concept de « cellules directement connectées aux packs de batteries » - de la transformation des cellules en modules, puis directement en packs de batteries, et maintenant pour transformer davantage le stockage d'énergie en sous-systèmes structurels plutôt qu'en composants indépendants. Le premier appareil d’impression de qualité commerciale de Material a une taille de plate-forme de 550 × 350 mm, et la société développe déjà des imprimantes plus grand format pour prendre en charge le moulage de composants plus grands. Cela signifie également que le modèle de production pourrait subir des changements fondamentaux : à l'avenir, certains produits pourront passer directement des modèles CAO aux objets physiques, sans nécessiter de modifications coûteuses de la chaîne de production ni d'investissements dans les moules.
Elias a souligné que les géants traditionnels de l’électronique grand public explorent également des solutions de batteries pouvant s’intégrer dans la structure. Par exemple, Apple a utilisé un grand nombre de batteries en forme de L et de forme spéciale sur les iPhones via des processus conventionnels pour libérer plus d'espace à l'intérieur du corps. Il estime que si des formes géométriques similaires, voire plus complexes, peuvent être réalisées par impression, non seulement le coût devrait être considérablement réduit, mais l'évolutivité sera également plus forte, ce qui sera crucial pour les appareils portables tels que les lunettes intelligentes qui souhaitent prendre en compte à la fois l'apparence et la durée de vie de la batterie à l'avenir.
Pour que ce concept soit véritablement mis en œuvre, les matériaux doivent encore continuer à perfectionner la stabilité du processus, en particulier les propriétés rhéologiques des matériaux et le contrôle de l'épaisseur des couches. Il doit maintenir un haut degré de cohérence sur une échelle proche de la largeur d’un cheveu humain pour garantir la cohérence du rendement et des performances. Pourtant, les perspectives sont attrayantes d’un point de vue économique : une fois matures, les batteries imprimées en 3D devraient couvrir une large gamme de prix allant des cellules simples aux batteries de plusieurs kilowattheures, les prix actuels du marché pour ces dernières allant d’environ 400 $ à 3 000 $ le kilowattheure.
En réduisant le nombre de pièces et en simplifiant le processus d'assemblage, les batteries imprimées devraient générer des marges bénéficiaires plus élevées dans des applications complexes telles que l'aérospatiale et la défense, particulièrement sensibles à la forme et au poids, car dans ces domaines, l'intégration structurelle et la flexibilité sont souvent plus importantes que le coût unitaire pur. Pour Material, si Hybrid3D s’avère finalement réalisable, la forme de la batterie ne sera plus une contrainte sur le design, mais fera partie du design lui-même.