#Startup3D: MATERIAL imprime en 3D des batteries qui s’adaptent à toutes les formes
Depuis des décennies, la conception des appareils électroniques est dictée par une réalité tenace : la batterie est un bloc. Qu’il s’agisse de concevoir un drone ou un smartphone, les ingénieurs ont dû s’adapter aux contraintes rigides et lourdes des cellules traditionnelles cylindriques ou prismatiques, faisant des compromis sur la répartition du poids et la forme simplement pour que l’appareil fonctionne.
Une startup basée en Floride appelée MATERIAL essaie de briser ce moule. Grâce à un procédé propriétaire d’impression 3D, l’entreprise peut fabriquer des batteries selon des géométries personnalisées, permettant essentiellement à la source d’alimentation de s’adapter au produit, et non l’inverse. Ce concept est résumé par leur slogan : « Nous ne fabriquons pas des batteries. Nous imprimons de l’énergie. » l’entreprise ayant levé 7,1 millions de dollars lors d’un tour de table initial et décroché un contrat de 1,25 million de dollars avec l’armée de l’air plus tôt cette année. Parce que leur système permet à une seule machine d’imprimer des sources d’alimentation entièrement différentes pour des objets entièrement différents, il introduit un niveau de flexibilité qui pourrait modifier fondamentalement le développement de produits. Pour notre startup du mois de juin, nous avons rencontré le Dr Chris Reyes, directeur technique, cofondateur et inventeur du procédé, afin d’en savoir plus sur la vision de l’entreprise.
3DN : Pourriez-vous vous présenter et nous expliquer ce qui vous a amené à l’impression 3D ?
Nous sommes MATERIAL, une entreprise de fabrication avancée, et nous disposons d’une machine avancée capable d’imprimer presque n’importe quoi. Et ce par quoi nous commençons, ce sont les batteries lithium-ion, que nous imprimons avec nos nanomatériaux développés en interne.
Tout cela est né de mes travaux de doctorat à l’Université Duke. Vers 2014, 2015, nous nous intéressions à la fabrication additive. Nous étions un laboratoire de science des matériaux : nous cultivions des nanomatériaux, développions des applications composites et étudiions la croissance des nanomatériaux. […] Je voulais faire quelque chose de plus significatif et tester s’il était possible d’imprimer une batterie en 3D. J’ai été l’un des premiers au monde à imprimer entièrement une batterie lithium-ion en 3D, en utilisant des composites FDM et en mélangeant simplement des nanocomposites. C’est de là qu’est née l’idée de cette entreprise. J’ai fait mon postdoctorat à l’Université Rice, où j’ai appris des techniques de fabrication plus avancées. […] Et en 2023, nous avons décidé de créer l’entreprise et d’essayer vraiment de concrétiser l’idée.
Le cofondateur Miles Dotson (à gauche), le PDG de MATERIAL Gabe Elias (au centre) et Chris Reyes (à droite).
3DN : Pourquoi avez-vous vu la nécessité de créer des batteries personnalisées ?
Je ne peux pas entrer trop dans les détails, mais c’est un outil d’impression multimodal. Nous avons une extrusion plastique. Nous faisons du FDM pour l’instant, mais nous pouvons aussi travailler avec des granulés, n’importe quels composites polymères. Nous avons construit des extrudeuses à vis qui extrudent des boues de batteries. Et nous pouvons travailler avec des nanocomposites. Nous pouvons distribuer toute une gamme de types de boues, de nanocomposites, et nous avons un système de capteurs personnalisé où le post-traitement se fait in situ. C’est un peu comme l’écriture directe à l’encre […], nous avons simplement notre propre variante, car nous disposons de matériaux spéciaux qui ont des besoins particuliers.
3DN : Pourquoi avez-vous vu la nécessité de créer des batteries personnalisées ?
La raison principale remonte au moment où j’essayais de choisir sur quel projet me lancer. Je voulais faire quelque chose qui avait de l’avenir. Nous aurons toujours des batteries sous une forme ou une autre. La batterie lithium-ion deviendra peut-être la batterie au plomb-acide, et nous ne nous débarrasserons jamais des batteries au plomb-acide. Elles ont simplement leur place. Je voulais donc m’impliquer dans une technologie qui allait évoluer, et être aussi utile que possible. Nous aurons toujours besoin de sources d’énergie.
En regardant la science des batteries, nous sommes contraints volumétriquement par l’utilisation de cellules cylindriques et prismatiques. Tout n’est que cylindres entassés les uns sur les autres. Il y a beaucoup d’espace perdu. L’impression 3D offre un moyen d’occuper tout cet espace. On peut optimiser pour le volume, pour la dissipation thermique, pour la résistance. Et l’impression 3D est le seul moyen d’y parvenir, selon moi.
3DN : Quels sont les principaux avantages de l’impression 3D de batteries ?
Les principaux avantages sont une augmentation considérable de la densité énergétique, car nous supprimons tout un tas de matériaux non essentiels à la batterie, et nous pouvons installer des batteries dans des endroits où d’autres ne le peuvent pas. Tout l’espace vide que l’on voit dans un boîtier de batterie devient désormais l’objet entier, ce qui augmente l’autonomie. C’est l’autre avantage. De plus, il y a la conformabilité et la capacité de changement. L’un des avantages de nos batteries est que vous pouvez développer une batterie pour, disons, un drone ou une voiture RC avec la même machine ; vous pouvez commencer à développer une batterie pour un autre produit et utiliser la même machine. […] Actuellement, si vous voulez une batterie cylindrique, vous construisez une usine, et c’est tout ce que vous obtiendrez. Il y a aussi l’efficacité. Nous condensons sept à douze étapes du processus de fabrication de batteries dans une seule machine, ce qui réduit considérablement notre empreinte.
La fabrication de la batterie imprimée en 3D implique l’assemblage d’une anode, d’un séparateur et d’une cathode.
3DN : Pouvez-vous nous expliquer votre modèle économique ?
Puisque nous disposons d’une expertise en interne, nous fournirons des batteries aux clients, c’est-à-dire que c’est nous qui ferons l’impression. Nous travaillons en étroite collaboration avec leurs ingénieurs de conception et les nôtres. C’est ainsi que les choses se passent dans un premier temps. Mais à l’avenir, nous envisageons des cas où nous pourrions louer nos machines. Ou, disons qu’un grand client veut commencer à fabriquer les batteries en interne. [Nous pourrions avoir] nos machines sur site pour imprimer les batteries et assembler les produits. Et l’autre scénario est la production à moyenne et grande échelle, avec nos propres installations où nous produisons de nombreuses batteries.
3DN : Quels défis avez-vous rencontrés depuis la création de MATERIAL ?
Le plus immédiat, ce sont les droits de douane. Nous construisons une entreprise qui dispose de beaucoup de matériel et qui est spécialisée dans la science des matériaux. C’était donc un changement intéressant et particulier. Mais il y a une forte poussée pour tout relocaliser. Il y a eu beaucoup de solutions proposées par des startups et beaucoup de gens qui se sont dit : « Hé, on peut désormais se procurer ça ici. »
Un autre défi, c’est que nous fabriquons nos propres nanomatériaux. Fabriquer des nanomatériaux à grande échelle est délicat en raison de leurs propriétés. Ce qui rend les nanomatériaux formidables les rend aussi difficiles à manipuler. Par exemple, s’assurer qu’ils sont bien dispersés et uniformes à très grande échelle. On parle de choses minuscules, mais nous devons les contrôler avec précision.
L’imprimante 3D hybride de MATERIAL (à gauche) et un gros plan sur la technologie en action (à droite).
3DN : Pouvez-vous nous expliquer les nanomatériaux que vous utilisez ?
Pour imprimer des batteries en 3D avec succès, nous avons développé un nanocomposite qui ressemble à des spaghettis et des boulettes de viande microscopiques. Une buse d’imprimante 3D standard fait environ 400 à 1 000 microns de large, et nos particules actives de batterie (les « boulettes ») font environ 1 à 10 microns. Le secret de notre procédé HYBRID3D réside dans l’ajout de nanofils ultra-minces et hautement conducteurs (les « nano-spaghettis »).
Sous la pression de l’imprimante, ces nanofils s’alignent parfaitement pour glisser dans la buse sans la boucher. Au moment où ils sortent, la pression chute et les nanofils s’enchevêtrent instantanément en un réseau 3D compact. Ce réseau agit comme des armatures structurelles, maintenant les particules de batterie en place afin que la forme imprimée conserve sa structure rigide sans avoir besoin d’un boîtier externe.
3DN : Pour quelles applications créez-vous des batteries ?
Pour l’instant, nous ciblons les applications de vol, les drones et autres, car ils doivent trouver un équilibre entre taille, poids et autonomie. C’est là que nous voyons le plus grand avantage, car nous pouvons augmenter leur autonomie sans augmenter leur masse. L’autre, ce sont les objets connectés à l’IA. […] Tout ce que vous portez est équipé d’IA, et plus les entreprises intègrent d’IA dans les appareils, plus ceux-ci consomment d’énergie. Aujourd’hui, les gens utilisent soit une petite batterie bouton dans la partie arrière, soit une batterie rectangulaire. Mais on reste limité.
Avec notre système, vous pourriez transformer tout le boîtier en batterie, vous offrant des heures d’autonomie supplémentaires.
Une autre application intéressante, c’est la robotique humanoïde. Nous avons quelques stagiaires qui travaillent sur un projet de bras robotique. Les robots durent actuellement entre quatre et huit heures, ce qui oblige à les remplacer en cours de poste. Mais si les robots pouvaient tenir toute la journée, ils le devraient. Et je pense que nous pouvons viser cela.
Les batteries imprimées en 3D peuvent être utilisées pour les drones, la défense, les appareils portables dotés d’IA, les dispositifs médicaux, et bien plus encore.
3DN : Un dernier mot pour nos lecteurs ?
Je suis un grand fan de l’impression 3D. J’en ai toujours été un grand partisan. Je pense qu’elle devrait être davantage enseignée dans les écoles. Par ailleurs, je pense que tout le monde devrait avoir accès à des imprimantes 3D, car cela rend tout simplement la vie un peu plus agréable. Mon objectif est de voir ce que nous pouvons faire avec les imprimantes 3D et de commencer par les batteries. Nous prévoyons de passer à d’autres matériaux et au-delà.
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*Crédits de toutes les photos : MATERIAL
