Batteries. Le brevet de détection des courts-circuits expliqué par le Pr Rachid Yazami

Le Bureau américain des brevets et des marques (USPTO) vient de délivrer un nouveau brevet à l’équipe du Pr Rachid Yazami, pionnier mondial dans le domaine de l’électrochimie et co-inventeur de la batterie lithium-ion.

Ce brevet porte sur une technologie innovante permettant de détecter prématurément les courts-circuits internes dans les batteries, l’une des principales causes d’emballements thermiques pouvant conduire à des incendies ou à des explosions.

"On espère ainsi sauver des vies humaines de l'un des risques les plus sérieux des batteries, en particulier dans les véhicules électriques", a déclaré le Pr Yazami dans un post publié sur LinkedIn.

"Nous avons obtenu un brevet, ce qui équivaut à un titre de propriété originel sur une invention", a indiqué le scientifique marocain dans un entretien accordé à Médias24, précisant que "le processus s'est étalé de 2018 à 2025" en raison des exigences rigoureuses en matière d'innovation technologique.

L’invention a pour objectif de "détecter précocement les courts-circuits internes" dans les batteries lithium-ion, une cause fréquente de défaillances graves pouvant aller jusqu’à l’explosion.

Le chercheur explique que dans une batterie en parfait état de fonctionnement, "seules les charges électriques sous forme d'ions lithium se déplacent à l'intérieur", tandis que "les électrons circulent à l'extérieur" via le circuit pour permettre la charge ou la décharge, comme lors de l’utilisation d’un téléphone.

Mais en cas de défaillance, un phénomène dangereux peut survenir "si, pour une raison quelconque, des électrons commencent à circuler à l'intérieur de la batterie. C'est ce qu'on appelle un court-circuit interne", souligne le Pr Yazami. Ce type de court-circuit survient "lorsque l'électrode positive (cathode) et l'électrode négative (anode) entrent en contact électrique direct, créant un passage conducteur", une situation susceptible de générer une surchauffe ou un incendie.

Le Pr Yazami met en garde contre l’un des scénarios les plus redoutés dans le domaine des batteries : l’emballement thermique.

"Un court-circuit interne provoque un échauffement local, un hotspot (point chaud)", explique-t-il. Ce point chaud peut compromettre le "séparateur", un matériau polymère crucial placé entre les deux électrodes — l’anode et la cathode — qui les empêche d’entrer en contact direct tout en laissant passer les ions lithium.

Lorsque la température devient excessive, "le séparateur fond", souligne le scientifique. Ce phénomène a pour effet d’augmenter la surface de contact entre les deux électrodes, "entraînant une augmentation du courant et donc de la chaleur".

Le cercle vicieux qui s’enclenche peut alors devenir incontrôlable et "provoquer un emballement thermique", avertit le Pr Yazami. À partir de "200 degrés", les conséquences peuvent être graves : "On observe de la fumée, des flammes, voire une explosion".

Une détection précoce, clé de la prévention

L’industrie reconnaît le "court-circuit interne" comme étant "la cause principale de l’emballement thermique des batteries", précise le Pr Yazami. "Quand une batterie prend feu, c’est souvent à cause d’un court-circuit interne".

Le brevet obtenu apporte donc une réponse à ce risque. Il propose une méthode innovante de détection basée sur des mesures thermodynamiques et cinétiques.

"La thermodynamique nous permet de mesurer l’entropie et l’enthalpie de la batterie", deux grandeurs qui renseignent sur l’énergie interne et la stabilité du système. "La cinétique concerne la température, le courant électrique, la tension, etc.", autant d’indicateurs permettant de suivre en temps réel l’évolution de l’état de la batterie.

L’un des points cruciaux de cette avancée réside dans la capacité à détecter le court-circuit bien avant qu’il ne devienne dangereux. "Nous avons découvert que l'entropie d'une batterie change de façon spectaculaire lorsqu'il y a un court-circuit interne".

C’est précisément cette variation d’une grandeur thermodynamique qui est utilisée comme indicateur. "Les valeurs d'entropie et d'enthalpie ne sont pas les mêmes", indique le Pr Yazami. "Cette invention permet donc une détection très précoce, dès l'apparition du court-circuit".

Contrairement à ce que l’on pourrait croire, un court-circuit interne ne se manifeste pas immédiatement. "Cela peut prendre plusieurs semaines, voire plusieurs mois", affirme le chercheur.

C’est dans cette fenêtre de développement que la technologie prend toute sa valeur. "Nous arrivons à détecter les phases réellement initiales".

Une fois l’anomalie identifiée, la batterie peut être "retirée du circuit pour éviter l'emballement thermique". "Nous pouvons le faire bien en amont. C’est pour anticiper l’emballement potentiel d’une batterie".

Une solution universelle, avec un enjeu critique pour les véhicules électriques

"L'invention s'applique à toutes les batteries, quelle que soit leur chimie, en particulier les batteries au lithium", précise le chercheur.

Mais le risque est d’autant plus préoccupant dans les véhicules électriques, où des centaines, voire des milliers de cellules sont regroupées dans un même module. "Il suffit qu'une seule cellule ait un court-circuit pour que les batteries adjacentes s'emballent, car la température peut dépasser les 800 degrés", alerte le Pr Yazami.

Toutefois, l’invention ne se limite pas au secteur automobile. Elle pourrait aussi être intégrée dans les téléphones portables, ordinateurs, outils sans fil, drones ou petits bateaux, des dispositifs où les risques d'incidents liés aux batteries sont bien réels et où la sécurité des utilisateurs reste une priorité.

L’invention ne restera pas dans les laboratoires. Le Pr Yazami ambitionne désormais de la faire entrer dans les chaînes de production industrielle. "Nous allons essayer de développer un système et d'intégrer cette solution dans les systèmes existants".

Cette phase d’ingénierie et de validation nécessite la collaboration étroite avec les acteurs du secteur. À ce titre, "nous sommes en pourparlers avec des fabricants de batteries, de voitures électriques, d'outils sans fil, etc., pour utiliser cette technologie afin d'augmenter la sécurité", confie-t-il.

"Cela prendra quelques années, mais nous y travaillons. Nous voulons que cette technologie soit utilisée dans la quasi-totalité des systèmes actuels alimentés par des batteries".

Un Maroc à la croisée de l’innovation et de l’ambition industrielle

Sur le plan industriel, le Maroc amorce une transition stratégique vers la production de batteries au lithium, en partenariat avec des acteurs asiatiques, notamment chinois.

"Une gigafactory est en cours de montage à Kénitra, la première en Afrique", rappelle le Pr Yazami. Bien que la technologie employée soit d’origine chinoise, "ils utiliseront mon anode en graphite, qui est maintenant dans le domaine public", précise-t-il. Ce projet s’inscrit dans un écosystème émergent dédié à la production de matériaux actifs pour les cathodes ainsi qu’au recyclage des batteries.

Mais pour que cette dynamique industrielle soit durable, l’investissement dans le capital humain est essentiel. Le Pr Yazami insiste sur le potentiel local.

"Les Marocains figurent parmi les premiers aux concours des grandes écoles d'ingénieurs, marocaines ou étrangères. Le Maroc fournit beaucoup de polytechniciens à l'étranger. Nous avons des cerveaux capables de créer de l'innovation".

Il soulève toutefois un défi majeur : "comment utiliser au mieux ces cerveaux ? C'est une question de financement".

S'appuyant sur son expérience internationale, le chercheur avance une solution pragmatique.

"Personnellement, je pourrais envoyer chaque année une cinquantaine de jeunes ingénieurs ou doctorants marocains se former dans les meilleurs centres de recherche du monde : NASA, agence spatiale européenne, Chine, Japon".

Un modèle inspiré de la stratégie chinoise. "C'est ce qu'ont fait les Chinois ces trente dernières années, et maintenant ils sont les premiers au monde. Au Maroc, il faut suivre l'exemple chinois. C'est très simple."

Il plaide également pour une politique d’ouverture et de collaboration internationale, afin de fertiliser l’écosystème local. "Il faut faire venir au Maroc des experts dans un certain nombre de domaines, qui puissent rester quelques mois, voire un an ou deux".

Un dispositif qu’il compare à celui mis en place par Pékin. "La Chine me propose actuellement de venir travailler quelques semaines par an chez eux. Je le ferai, il n'y a pas de problème. S'ils m'invitent, j'irai. Le Maroc devrait faire la même chose".

À Fès, nous avons réussi à charger une batterie pour voiture électrique en moins de 30 minutes

Loin de se limiter à la recherche théorique ou aux collaborations internationales, le Pr Yazami est aussi engagé sur le terrain au Maroc, où il a participé à développer plusieurs initiatives concrètes autour des batteries. "Personnellement, j'ai des projets à Fès et Casablanca".

Dès 2019, un centre d'excellence sur les batteries a été lancé à l’Université privée de Fès (UPF), un projet qu’il a porté dès ses débuts. "Ce centre commence maintenant à fonctionner correctement. L’université s’est équipée avec du matériel de haut niveau pour effectuer des tests sur les batteries", explique-t-il.

Les premiers résultats sont prometteurs. "Nous avons obtenu des résultats qui figurent parmi les meilleurs observés jusqu'à présent, non seulement au Maroc, mais aussi en Afrique. En effet, nous avons réussi il y a de cela deux semaines à charger une batterie pour voiture électrique en moins de 30 minutes".

Cette dynamique s’accompagne du volet crucial de la formation professionnelle pour soutenir l’émergence d’un écosystème national autour des batteries. Un établissement en particulier est cité par le Pr Yazami :  l’Institut de formation aux métiers du transport et de la logistique de Nouaceur.

"Là aussi, on va former des techniciens qui vont comprendre le fonctionnement des batteries pour les voitures électriques ; comment les gérer, les contrôler, les utiliser, et comment utiliser la technologie dont je viens de parler pour réduire les risques d’emballement thermique".

Enfin, le chercheur confirme l'intérêt croissant du secteur privé pour ses innovations. "Il y a des industriels marocains qui sont intéressés par ce que je fais", révèle-t-il, tout en restant discret sur leur identité.

"Je ne peux pas vous donner leur nom parce que c’est confidentiel, mais il y a des industriels, de grands industriels marocains avec lesquels on a des relations".

À découvrir

Starlink étend sa couverture dans le monde : quelle est la situation au Maroc ?

Enquête. Sur X, une attaque coordonnée a ciblé le Maroc pendant la CAN

Comment le groupe beIN s'implante au Maroc en zone grise