Une batterie en aluminium flexible, rechargeable en moins d’une minute !

"Nous avons développé une batterie en aluminium rechargeable capable de remplacer les dispositifs de stockage existants, tels que les piles alcalines, mauvaises pour l’environnement, et les batteries lithium-ion, qui, parfois, prennent feu", a déclaré Hongjie Dai, professeur de chimie à Stanford. "Notre nouvelle batterie ne s’enflamme pas, même si vous la percer."

L’aluminium a longtemps été un matériau intéressant pour les batteries, principalement en raison de sa capacité de stockage à faible coût, sa faible inflammabilité et sa charge élevée. Pendant des décennies, les chercheurs ont tenté en vain de développer une batterie en aluminium-ion, commercialement viable. L’un des défis majeurs était de trouver des matériaux capables de produire une tension suffisante après des cycles répétés, de charge et de décharge.

Une cathode en graphite

Une batterie ion-aluminium est constituée de deux électrodes : une anode chargée négativement en aluminium et une cathode chargée positivement.

"Les chercheurs ont essayé différents types de matériaux pour la cathode," a ajouté le Pr. Dai. "Nous avons découvert de façon accidentelle que la solution la plus simple était d’utiliser le graphite, un élément essentiellement composé de carbone. Dans notre étude, nous avons identifié divers matériaux de graphite qui donnaient de très bons résultats."

Concernant la batterie expérimentale, l’équipe de Stanford a associé l’anode d’aluminium et la cathode de graphite avec un électrolyte liquide ionique, placée à l’intérieur d’une poche souple en polymère. "L’électrolyte est essentiellement un sel, liquide à température ambiante, et donc très sûr", a déclaré Ming Gong, co-auteur principal de l’étude.

"Les batteries en aluminium sont plus sûres que les batteries lithium-ion classiques utilisées dans des millions de portables et de téléphones", a ajouté Hongjie Dai. "Les batteries au lithium-ion peuvent engendrer un risque d’incendie." A titre d’exemple, il a souligné les récentes décisions des compagnies aériennes, comme United et Delta Airlines, d’interdire l’embarquement de batteries au lithium en soute dans des avions commerciaux.

"Dans notre étude, des vidéos montrent que si vous percez l’enveloppe de la batterie d’aluminium, elle continuera de fonctionner un peu plus longtemps, sans prendre feu, pour autant", a affirmé Hongjie Dai. "Mais les batteries au lithium peuvent également flancher de manière imprévisible – dans la voiture ou dans votre poche ; En plus de la sécurité, nous avons réalisé d’importants progrès dans les performances de la batterie en aluminium."

Un exemple est leur chargement ultra-rapide. Les propriétaires de smartphone savent qu’il faut des heures pour charger une batterie au lithium-ion. L’équipe de Stanford a confirmé un "temps de charge sans précédent" sous la minute avec le prototype en aluminium.

Enfin, la durabilité est un autre facteur important. Les batteries d’aluminium développées dans d’autres laboratoires sont généralement usées après seulement 100 cycles de charge-décharge. Celle de Stanford est capable de résister à plus de 7.500 cycles sans aucune perte de capacité. "C’était la première fois qu’une batterie aluminium-ion ultra-rapide était développée avec une telle stabilité sur des milliers de cycles", ont souligné les auteurs. Par comparaison, une batterie lithium-ion typique dure environ 1.000 cycles.

"Une autre caractéristique de la batterie de l’aluminium est la flexibilité", a précisé Ming Gong. "Vous pouvez la plier et la plier encore, elle possède donc le potentiel pour une utilisation dans des dispositifs électroniques flexibles. L’aluminium est également un métal moins cher que le lithium."

Les applications

En plus des petits appareils électroniques, les batteries d’aluminium peuvent être utilisées pour stocker de l’énergie renouvelable sur le réseau électrique. "Le réseau a besoin d’une batterie à longue durée de vie en mesure de stocker et de libérer rapidement de l’énergie," a expliqué Hongjie Dai. "Nos dernières données non publiées suggèrent qu’une batterie en aluminium peut être rechargée des dizaines de milliers de fois. C’est difficile d’imaginer la construction d’une énorme batterie lithium-ion pour un stockage sur réseau."

La technologie aluminium-ion offre aussi une alternative écologique aux piles alcalines jetables. "Des millions de consommateurs utilisent des piles AA et AAA, de 1,5 volts (…) Notre batterie rechargeable en aluminium génère environ deux volts d’électricité. C’est plus que n’importe lesquelles réalisées avec de l’aluminium" a t-il ajouté.

Toutefois, d’autres améliorations seront nécessaires pour atteindre la tension des batteries lithium-ion. "Notre batterie produit environ la moitié de la tension d’une batterie typique au lithium," a t-il précisé. "Mais l’amélioration de la cathode pourrait éventuellement faire augmenter la tension et la densité énergétique. Sinon, notre batterie possède tout ce que vous avez jamais rêvé : des électrodes bon marché, une bonne sécurité, une recharge à grande vitesse, de la flexibilité et une longue durée de vie."