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Le Laboratoire commun iHub Poly-9 cible les batteries du futur !

PORTRAIT | par Maryvonne Haslé de La Gazette du Laboratoire | Juillet 2022

Arkema, le CNRS (Centre National de la recherche scientifique), l’Université Claude Bernard Lyon1 et CPE Lyon se sont associés pour inaugurer le 13 avril 2022 l’iHub Poly-9, laboratoire commun dédié à la conception de nouveaux matériaux performants à partir de polymères fluorés, qui seront destinés aux futures générations de batteries. 

L’iHub POLY-9, porté par le laboratoire de recherche CP2M (Catalyse, polymérisation, procédés et matériaux) labelisé Carnot Ingénierie@Lyon et le groupe Arkema, concerne la recherche sur le développement de fluoropolymères pour des applications dans le domaine des batteries et du génie chimique. Le budget alloué à ces recherches est de 3M€ pour une durée de cinq ans.

Polymères fluorés pour la batterie de demain

Dans l’avenir, une part de plus en plus importante des besoins en énergie portable sera fournie par des dispositifs de stockage d’énergie mobiles, tels que les batteries lithium-ion.

En effet, avec les voitures électriques, les smartphones ou encore les ordinateurs portables, les besoins en dispositifs mobiles de stockage d’énergie ne cessent d’augmenter. Cette demande est notamment satisfaite par les batteries lithium-ion. Elles sont composées de deux électrodes qui ne se touchent pas grâce à la présence d’un séparateur, le tout baignant dans un électrolyte. Différents polymères fluorés, une famille de molécules à laquelle appartient le PVDF KYNAR®, offrent d’excellents rapports coût/performance en tant que liants de cathode et revêtements de séparateur, permettant d’améliorer les performances des batteries : densité d’énergie, puissance, capacité de stockage, durée de vie, fiabilité, etc.

Le laboratoire de recherche Catalyse, polymérisation, procédés et matériaux (CP2M, CNRS/CPE Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) mène depuis plus de trente ans des recherches sur les polymères fabriqués sous forte pression, avec un focus sur les polymères fluorés depuis une dizaine d’années, ce qui a conduit à l’alliance aujourd’hui entre Arkema, le CNRS, l’Université Claude Bernard Lyon 1 et CPE Lyon, au sein du nouveau laboratoire commun : iHub Poly-9. Ce laboratoire travaille en partenariat avec le nouveau centre d’excellence « batterie » d’Arkema nouvellement créé en novembre 2021 sur le site de Pierre Bénite, en banlieue lyonnaise.

« Je me réjouis de ce rapprochement avec Arkema qui s’inscrit dans un long historique de coopérations. Nous poursuivons une politique constante de développement des laboratoires communs avec les entreprises de toutes tailles, comme le confirment les plus de 200 laboratoires communs déjà existants. Cette forme ambitieuse de collaboration entre le monde économique et le monde académique s’appuie sur la recherche fondamentale pour apporter une réponse à des défis industriels majeurs »,
souligne Antoine Petit, président-général du CNRS. 

Le réacteur permettant la polymérisation à 80 bars de pression. Copyright Timothy McKenna.

Une longue collaboration concrétisée

En plus d'un intérêt partagé pour les fondamentaux de la polymérisation entre les 2 partenaires, le laboratoire CP2M est l'un des seuls laboratoires académiques au monde disposant de l'infrastructure et du savoir-faire technique nécessaires pour soutenir un éventail d'activités aussi large pour la recherche sur la polymérisation dans l'eau utilisant des monomères gazeux ou supercritiques.

 L'expertise conjointe du CP2M et d'Arkema en chimie de polymérisation, formation et stabilisation des particules de polymères et génie des procédés apportera des solutions matérielles pour les batteries du futur. Une longue histoire de recherche collaborative avec deux partenaires locaux (le CP2M et l'installation de Pierre Bénite d'Arkema sont distants de moins de 20 km) garantit des projets de recherche très interactifs et pose des bases solides pour cette nouvelle aventure.

Ce nouveau projet important iHub POLY-9 a été établi pour renforcer une longue histoire de collaborations de recherche réussies et couvrant un large éventail de sujets allant de la cinétique de polymérisation à la stabilité des particules, et des latex à haute teneur en solides à la surveillance et au contrôle en ligne.

Plus récemment, Arkema et l'équipe polymères du CP2M se sont associés sur plusieurs projets de recherche différents liés à la production de polyfluorure de vinylidène (PVDF) et à ses copolymères. Cette famille de polymères est extrêmement stable chimiquement et électrochimiquement. Leur synthèse, qui se fait en milieu dispersé dans l’eau, requiert des pressions élevées pouvant dépasser les 100 bars, une expertise dont bénéficie le CP2M, qui dispose de réacteurs capables d’atteindre ces pressions en tout sécurité.

Parmi les projets communs Arkema et CP2M, citons le projet ANR PRCE Scale-up (2013), traitant de l'échelle de la polymérisation en émulsion du fluorure de vinylidène. Une usine pilote de 4 litres a été construite au CP2M afin de lui permettre de réaliser des polymérisations à des pressions supérieures à 80 bars.

Un autre projet PRCE ANR dénommé CLEANPOLY a été lancé en 2017, avec la participation complémentaire de KEM ONE et porte sur l'étude de la stabilité des particules et de l'encrassement des réacteurs dans les polymérisations en phase dispersée du PVDF et du PVC.

En 2020, les deux partenaires ont été lauréats d'un Pack Ambition Recherche, parrainé par la Région Auvergne-Rhône Alpes. Ce projet se concentrera sur la quantification de l'impact des paramètres liés aux procédés tels que l'agitation du réacteur dans la polymérisation VDF.

Espace dédié et des équipements communs

Intégré au laboratoire de recherche C2PM à Lyon, l'iHub Poly-9 disposera d'un espace de 50 m2 et d'équipements réservés exclusivement à la poursuite de cinq doctorats consacrés à l'étude de la synthèse et de la conception des polymères fluorés destinés au domaine de l’énergie, et trois thèses CIFRE financées par l’entreprise, dont une thèse financée par la région Auvergne Rhône Alpes ainsi que d’un ingénieur de recherche ARKEMA.

Les moyens communs incluent également un laboratoire de synthèse de polymères dédié au CP2M, comprenant 2 réacteurs pilotes de 4L pour les études de génie des procédés et les études de scale-up, ainsi que 2 réacteurs plus petits de 350 ml pour l'exploration de nouvelles voies de synthèse.

« Ce laboratoire est une initiative commune de plus dans la longue collaboration entre Arkema et le CNRS. Il illustre parfaitement la démarche constante d’Arkema d’open innovation et de partenariats avec le monde académique. Ceci nous permet d’appuyer notre recherche sur les meilleures expertises pour développer des matériaux durables et de haute performance dans des domaines stratégiques, comme les batteries et l’hydrogène »,
conclut Armand Ajdari, directeur de la recherche et du développement chez Arkema. 

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Pour en savoir plus : www.cp2m.org