La poursuite incessante de meilleures performances dans le domaine des batteries conduit à de nouvelles approches et à des redécouvertes intéressantes. Cette enquête met en lumière une nouvelle utilisation de l’aluminium, qui pourrait changer radicalement la donne pour les batteries destinées aux véhicules électriques.
Deux éléments sont essentiels pour une bonne batterie : une densité énergétique élevée pour alimenter les appareils, et une stabilité qui permet de la recharger de manière sûre et fiable des milliers de fois. Depuis trois décennies, les batteries lithium-ion règnent en maître, prouvant leur efficacité dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques.
Cependant, les chercheurs commencent à atteindre les limites du lithium-ion. Alors que les véhicules de nouvelle génération et les avions électriques commencent à faire leur apparition sur le marché, la recherche de systèmes de batteries plus sûrs, moins coûteux et plus puissants, capables de surpasser le lithium-ion, s’intensifie.
L’innovation dans l’utilisation de l’aluminium
Une équipe de chercheurs de l’Institut de Technologie de la Géorgie, dirigée par Matthew McDowell, professeur associé à l’École d’Ingénierie Mécanique George W. Woodruff et à l’École des Sciences et de l’Ingénierie des Matériaux, utilise de l’aluminium pour créer des batteries à plus haute densité énergétique et à plus grande stabilité.
Le nouveau système de batteries de l’équipe, détaillé dans Nature Communications, pourrait permettre aux véhicules électriques de parcourir de plus longues distances avec une seule charge et serait moins coûteux à fabriquer, tout en ayant un impact positif sur l’environnement.
« Nous sommes toujours à la recherche de batteries à plus haute densité énergétique, ce qui permettrait aux véhicules électriques de parcourir de plus longues distances avec une seule charge, » a déclaré le Pr. McDowell. « Il est intéressant que nous puissions utiliser l’aluminium comme matériau pour les batteries, car il est économique, hautement recyclable et facile à travailler.«
Le défi de l’aluminium
L’idée d’utiliser de l’aluminium pour fabriquer des batteries n’est pas nouvelle. Les chercheurs ont étudié son potentiel dans les années 1970, mais cela ne fonctionnait pas bien. Lorsqu’il est utilisé dans une batterie lithium-ion conventionnelle, l’aluminium se fracture et échoue après quelques cycles de charge et de décharge, en raison de l’expansion et de la contraction lorsque le lithium circule dans le matériau. Les développeurs ont conclu que l’aluminium n’était pas un matériau viable pour les batteries, et l’idée a été largement abandonnée.
Aujourd’hui, les batteries à l’état solide font leur apparition. Alors que les batteries lithium-ion contiennent un liquide inflammable qui peut provoquer des incendies, les batteries à l’état solide contiennent un matériau solide qui n’est pas inflammable et est donc probablement plus sûr. Les batteries à l’état solide permettent également l’intégration de nouveaux matériaux actifs à hautes performances, comme le montre cette recherche.
Les progrès réalisés avec l’aluminium
Le projet a commencé comme une collaboration entre l’équipe de Georgia Tech et Novelis, un fabricant leader d’aluminium et le plus grand recycleur d’aluminium du monde, dans le cadre du Novelis Innovation Hub à Georgia Tech.
L’équipe de recherche savait que l’aluminium aurait des avantages en termes d’énergie, de coût et de fabrication lorsqu’il est utilisé comme matériau dans l’anode de la batterie – le côté négativement chargé de la batterie qui stocke le lithium pour créer de l’énergie – mais les feuilles d’aluminium pur échouaient rapidement lorsqu’elles étaient testées dans des batteries.
L’équipe a décidé d’adopter une approche différente. Au lieu d’utiliser de l’aluminium pur dans les feuilles, ils ont ajouté de petites quantités d’autres matériaux à l’aluminium pour créer des feuilles avec des « microstructures » particulières, ou des arrangements de différents matériaux. Ils ont testé plus de 100 matériaux différents pour comprendre comment ils se comporteraient dans les batteries.
« Nous devions incorporer un matériau qui résoudrait les problèmes fondamentaux de l’aluminium en tant qu’anode de batterie, » a commenté Yuhgene Liu, étudiant en doctorat dans le laboratoire de McDowell et premier auteur de l’article. « Notre nouvelle anode en feuille d’aluminium a démontré une performance et une stabilité nettement améliorées lorsqu’elle est mise en œuvre dans des batteries à l’état solide, par opposition aux batteries lithium-ion conventionnelles.«
L’équipe a observé que l’anode en aluminium pouvait stocker plus de lithium que les matériaux d’anode conventionnels, et donc plus d’énergie. Au final, ils ont créé des batteries à haute densité énergétique qui pourraient potentiellement surpasser les batteries lithium-ion.
Les avantages de l’aluminium
« L’un des avantages de notre anode en aluminium qui nous enthousiasme est qu’elle permet des améliorations de performance, mais qu’elle peut aussi être très économique, » a ajouté le Pr. McDowell. « De plus, en utilisant une feuille directement comme composant de batterie, nous supprimons en réalité beaucoup des étapes de fabrication qui seraient normalement nécessaires pour produire un matériau de batterie. »
Plusieurs entreprises développent actuellement des avions électriques à courte portée, mais le facteur limitant est les batteries. Les batteries actuelles ne stockent pas assez d’énergie pour permettre à des avions de voler sur des distances supérieures à environ 150 miles (ou 240 km). De nouvelles chimies de batteries sont nécessaires, et les batteries à anode en aluminium de l’équipe de McDowell pourraient ouvrir la porte à des technologies de batteries plus puissantes.
« Le succès initial de ces anodes en feuille d’aluminium présente une nouvelle direction pour la découverte d’autres matériaux de batteries potentiels, » a précisé Yuhgene Liu. « Cela ouvre, espérons-le, des voies pour repenser une architecture de cellule de batterie plus optimisée en termes d’énergie et plus rentable. »
Le futur de l’aluminium dans les batteries
L’équipe travaille actuellement à l’augmentation de la taille des batteries pour comprendre comment la taille influence le comportement de l’aluminium. Le groupe explore également activement d’autres matériaux et microstructures dans le but de créer des feuilles très bon marché pour les systèmes de batteries.
« C’est l’histoire d’un matériau connu depuis longtemps, mais qui a été largement abandonné au début du développement des batteries, » a conclu McDowell. « Mais avec de nouvelles connaissances, associées à une nouvelle technologie – la batterie à l’état solide – nous avons trouvé comment nous pouvons raviver l’idée et obtenir des performances vraiment prometteuses.«
En synthèse
Les chercheurs de l’Institut de Technologie de la Géorgie ont redécouvert l’aluminium comme un matériau de batterie viable, particulièrement pour les batteries à l’état solide. Leur approche innovante consiste à créer des feuilles d’aluminium avec des « microstructures » particulières pour améliorer la performance et la stabilité de l’anode de la batterie. Cette découverte pourrait changer la donne pour les batteries destinées aux véhicules électriques, les rendant plus puissantes, plus sûres et moins coûteuses à produire.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une batterie à l’état solide ?
Il s’agit d’une batterie où le liquide inflammable des batteries lithium-ion traditionnelles est remplacé par un matériau solide non inflammable, ce qui la rend probablement plus sûre. De plus, elle permet l’intégration de nouveaux matériaux actifs à hautes performances.
Quel est le rôle de l’aluminium dans ces nouvelles batteries ?
L’aluminium est utilisé comme matériau pour l’anode de la batterie, le côté négativement chargé de la batterie qui stocke le lithium pour créer de l’énergie. En utilisant des feuilles d’aluminium avec des « microstructures » particulières, les chercheurs ont pu améliorer la performance et la stabilité de l’anode.
Quels sont les avantages de l’utilisation de l’aluminium ?
L’aluminium est économique, hautement recyclable et facile à travailler. De plus, l’utilisation de feuilles d’aluminium comme composant de batterie élimine de nombreuses étapes de fabrication normalement nécessaires pour produire un matériau de batterie.
Comment cette découverte peut-elle changer la donne pour les véhicules électriques ?
Les batteries à anode en aluminium ont une densité énergétique plus élevée, ce qui signifie qu’elles peuvent stocker plus d’énergie. Cela pourrait permettre aux véhicules électriques de parcourir de plus longues distances avec une seule charge.
Crédit photo : Rob Felt
Citation : Liu, Y., Wang, C., Yoon, S.G. et al. Aluminum foil negative electrodes with multiphase microstructure for all-solid-state Li-ion batteries. Nat Commun 14, 3975 (2023).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39685-x
Article adapté du contenu de l’auteure Catherine Barzler
