L'aluminium montre le potentiel de créer des batteries plus sûres et moins chères

Une bonne batterie a besoin de deux choses : une densité énergétique élevée pour alimenter les appareils ; et stabilité, de sorte qu'il peut être rechargé des milliers de fois en toute sécurité et de manière fiable. Au cours des trois dernières décennies, les batteries lithium-ion ont régné en maître, prouvant leurs performances dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques.

Mais les chercheurs en batteries ont commencé à se rapprocher des limites du lithium-ion. Alors que les véhicules à longue autonomie et les avions électriques de nouvelle génération commencent à arriver sur le marché, la recherche de systèmes de batteries plus sûrs, moins chers et plus puissants, capables de surpasser le lithium-ion, s'accélère.

Une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology, dirigée par l'ingénieur Matthew McDowell, utilise du papier d'aluminium pour créer des batteries ayant une densité énergétique plus élevée et une plus grande stabilité. Le nouveau système de batterie de l'équipe, détaillé dans Nature Communications, pourrait permettre aux véhicules électriques de fonctionner plus longtemps avec une seule charge et serait moins cher à fabriquer, tout en ayant un impact positif sur l'environnement.

"L'un des avantages de notre anode en aluminium est qu'elle permet d'améliorer les performances et qu'elle peut être très rentable"

-McDowell

Ce travail a été réalisé en partie au Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology, membre de la National Nanotechnology Cooperative Infrastructure, soutenue par la National Science Foundation des États-Unis.

"Nous recherchons toujours des batteries avec une densité énergétique plus élevée, qui permettraient aux véhicules électriques de parcourir de plus longues distances avec une charge", a déclaré McDowell. "Nous pouvons utiliser l'aluminium comme matériau de batterie, car il est rentable, hautement recyclable et facile à travailler."

Lorsqu'il est utilisé dans une batterie lithium-ion conventionnelle, l'aluminium se fracture et se brise en quelques cycles de charge-décharge en raison de l'expansion et de la contraction lorsque le lithium entre et sort du matériau. Les développeurs ont conclu que l’aluminium n’était pas un matériau de batterie viable et l’idée a été largement abandonnée.

Désormais, les batteries à semi-conducteurs sont entrées en scène. Alors que les batteries lithium-ion contiennent un liquide inflammable pouvant provoquer des incendies, les batteries à semi-conducteurs contiennent un matériau solide qui n'est pas inflammable et, par conséquent, probablement plus sûr. Les batteries solides permettent également d’intégrer de nouveaux matériaux actifs hautes performances.

Les chercheurs ont ajouté de petites quantités d'autres matériaux à l'aluminium pour créer des feuilles présentant des « microstructures » particulières ou des agencements de différents matériaux. Les ingénieurs ont testé plus de 100 matériaux différents pour comprendre comment ils se comporteraient dans les batteries.

L’anode en aluminium pourrait stocker plus de lithium que les matériaux d’anode conventionnels, et donc plus d’énergie. En fin de compte, les chercheurs ont créé des batteries à haute densité énergétique qui pourraient potentiellement surpasser les batteries lithium-ion.

"L'un des avantages de notre anode en aluminium est qu'elle permet d'améliorer les performances et qu'elle peut être très rentable", a déclaré McDowell. "Lorsque nous utilisons une feuille directement comme composant de batterie, nous supprimons de nombreuses étapes de fabrication qui seraient normalement nécessaires pour produire un matériau de batterie."

Des avions électriques à courte portée sont en cours de développement par plusieurs sociétés, mais le facteur limitant réside dans les batteries. Les batteries d’aujourd’hui ne contiennent pas suffisamment d’énergie pour permettre aux avions de parcourir des distances supérieures à 150 milles environ. De nouvelles compositions chimiques de batterie sont nécessaires, et les batteries à anode en aluminium de l'équipe pourraient ouvrir la porte à des technologies de batterie plus puissantes.