La recherche de systèmes stationnaires de stockage d'énergie rentables a donné lieu à un grand nombre de rapports sur les nouvelles batteries post-Li-ion composées entièrement d'éléments chimiques abondants sur terre. Parmi la pléthore de candidats dans le domaine de l'après-lithium, les batteries aluminium-soufre (Al-S) ont attiré une attention considérable ces dernières années en raison de leur faible coût et de leurs densités d'énergie volumétrique et gravimétrique théoriques élevées (3177 Wh L-1 et 1392 Wh kg-1)Actuellement, les batteries stationnaires sont considérées comme la solution ultime pour équilibrer la consommation d'énergie qui augmente rapidement avec la nature intermittente des sources d'énergie renouvelables. Dans la recherche d'un stockage d'énergie stationnaire durable, un certain nombre de rapports ont été publiés au cours de la dernière décennie sur les batteries M-S post-lithium (où M est Na, K, Mg ou Al) en tant que technologie électrochimique rentable. En particulier, une grande attention a récemment été portée au développement des batteries Al-S, dans lesquelles une feuille d'aluminium peut être utilisée comme électrode négative en raison de la très grande réversibilité et de l'absence de dendrite du stripping/placage de l'aluminium1,2. De plus, l'aluminium est le métal le plus abondant dans la croûte terrestre et le moins cher comparé à d'autres matériaux métalliques anodiques.
Comparaison des batteries Li-S, Na-S, K-S, Mg-S et Al-S et de leurs composants
- Potentiels d'oxydoréduction et capacités gravimétriques/volumétriques du Li, K, Na, Mg, Al et S ;
- Capacités gravimétriques/volumétriques théoriques et densités d'énergie des batteries Li-S, Na-S, K-S, Mg-S et Al-S ;
- Abondance dans la croûte terrestre et coût du Li, K, Na, Mg, Al et S ;
- Variations théoriques de la tension et du volume lors du cyclage des batteries Li-S, Na-S, K-S, Mg-S et Al-S.
Le potentiel redox du couple redox Al3+/Al est plus faible que les potentiels des couples redox Mg2+/Mg, Na+/Na et K+/K. Cependant, ceci est compensé par le potentiel redox très élevé de l'aluminium. Cependant, ceci est compensé par la capacité volumétrique théorique très élevée de l'anode d'Al (8046 mAh L-1). Par conséquent, la densité énergétique théorique résultante des batteries Al-S sur une base volumétrique est égale à 3177 Wh L-13, similaire à celle des batteries Na-S (3079 Wh L-1)4, Mg-S (3115 Wh L-1)5 ainsi que des batteries Li-S (3290 Wh L-1)
L'ironie classique des nouvelles technologies est que les adoptants sont obligés de se limiter à deux des trois choses que tout le monde veut : rapide, bon marché et bon. Lorsque la technologie concerne les batteries, l'adoption est encore plus difficile. Le bon marché et la rapidité (de chargement) sont toujours importants, mais « bon » peut signifier différentes choses, comme un poids léger, un faible volume ou une longue durée de vie, en fonction de vos besoins. Néanmoins, les mêmes types de compromis sont nécessaires. Si vous voulez une recharge vraiment rapide, vous devrez probablement renoncer à une certaine capacité.
Ces compromis permettent de poursuivre les recherches sur d'autres chimies de batteries, malgré l'avance considérable du lithium en termes de technologie et de capacités de fabrication. On espère toujours qu'une autre chimie pourra faire baisser considérablement le prix ou améliorer considérablement certaines performances. Les chercheurs semblent être tombés sur un électrolyte pour une batterie au sodium. Le sodium est bon marché et abondant, mais son utilisation dans les batteries pose quelques problèmes.
Les batteries à base de lithium sont excellentes, avec différentes chimies d'électrodes leur permettant d'être adaptées à une grande variété d'utilisations. Leur problème n'a rien à voir avec leurs performances. Le défi auquel nous sommes confrontés est que nous voulons fabriquer un grand nombre de batteries ; si toutes utilisent du lithium, nous serons sans aucun doute confrontés à des problèmes d'approvisionnement.
Une solution potentielle à ce problème consiste à remplacer le lithium par un autre ion. Les batteries alternatives ne seront peut-être pas aussi performantes que les variantes au lithium dans tous les domaines où nous les utilisons actuellement. Il suffit qu'elles soient suffisamment performantes dans une tâche pour que nous n'ayons plus besoin de mettre du lithium partout.
Les batteries à l'aluminium-soufre décrites offrent des matières premières bon marché, des dimensions compétitives et une plus grande capacité par rapport au poids que le lithium-ion, avec le gros avantage de pouvoir recharger complètement les cellules en moins d'une minute. Le seul problème évident auquel elles se heurtent actuellement est qu'elles doivent atteindre une température de 90 °C (presque le point d'ébullition de l'eau) pour fonctionner.
Les chercheurs ont ainsi obtenu les deux tiers d'une batterie. Une électrode était constituée d'aluminium métallique et l'électrolyte était le chlorure d'aluminium liquide. Il restait donc une deuxième électrode à identifier. Ici, il y avait de nombreux exemples de stockage de l'aluminium en tant que composé chimique avec des éléments situés sous l'oxygène dans le tableau périodique, comme le soufre ou le sélénium. À des fins d'imagerie, l'équipe a travaillé avec du sélénium, créant une cellule de batterie expérimentale et confirmant qu'elle se comportait conformément aux attentes.
L'imagerie de l'aluminium a montré qu'après quelques cycles de charge et de décharge, la surface était quelque peu en bloc, mais qu'il n'en sortait aucune extension large ou pointue susceptible d'endommager la pile. Les réactions à l'électrode de sélénium semblent avoir commencé dans le sel fondu avant de se terminer à la surface de l'électrode. Dans l'ensemble, la pile a montré des performances stables sur des dizaines de cycles et le type de capacité élevée par poids que l'aluminium devrait fournir. L'équipe est donc passée à la construction et au test des piles qui l'intéressaient vraiment : l'aluminium-soufre.
À faible taux de décharge, les piles à l'aluminium-soufre avaient une capacité de charge par poids plus de trois fois supérieure à celle des batteries au lithium-ion. Ce chiffre diminuait à mesure que le taux de charge/décharge augmentait, mais les performances restaient excellentes. Si la cellule était déchargée pendant deux heures et rechargée en seulement six minutes, elle avait toujours une capacité de charge par poids supérieure de 25 % à celle des batteries lithium-ion et conservait environ 80 % de cette capacité après 500 cycles, ce qui est bien supérieur à ce que l'on observe avec la plupart des batteries lithium.
L'ARL956-B, un système informatique de type ordinateur portable à batteries multiples, doté d'un châssis en aluminium robuste, est équipé d'une double batterie Li-ion haute capacité remplaçable à chaud, d'une capacité totale de 190 heures, rend l'ARL956-B idéal pour les applications critiques. Il peut également fonctionner avec un adaptateur secteur de 100W pour un fonctionnement et une recharge sur secteur. Le panneau LCD de la capacité de la batterie indique la jauge de carburant, la puissance, le courant, l'état de charge/décharge, le temps jusqu'à la pleine charge et le temps jusqu'à la vidange.
Cela fait un moment que l'on réfléchit à des batteries à base d'aluminium, attirées par leur grande capacité théorique. Bien que chaque atome d'aluminium soit un peu plus lourd que le lithium, les atomes et les ions d'aluminium sont physiquement plus petits, car la charge positive plus élevée du noyau attire un peu les électrons. De plus, l'aluminium cède volontiers jusqu'à trois électrons par atome, ce qui signifie que l'on peut transférer beaucoup de charge pour chaque ion impliqué.
Le concepteur d'une batterie aluminium-ion affirme qu'elle se charge 60 fois plus vite que le lithium-ion, offrant ainsi une avancée en matière d'autonomie des VE. L'angoisse de l'autonomie, le recyclage et les craintes liées à la recharge rapide pourraient tous être relégués au rang d'histoire des véhicules électriques grâce à une invention australienne de batterie basée sur la nanotechnologie.
Les cellules de batterie aluminium-ion en graphène du Graphene Manufacturing Group (GMG), basé à Brisbane, sont censées se charger jusqu'à 60 fois plus vite que les meilleures cellules lithium-ion et contenir trois fois plus d'énergie que les meilleures cellules à base d'aluminium. Elles sont également plus sûres, sans limite supérieure d'ampères susceptible de provoquer une surchauffe spontanée, plus durables et plus faciles à recycler, grâce à leurs matériaux de base stables. Les tests montrent également que les batteries de validation des piles à monnaie durent trois fois plus longtemps que les versions lithium-ion.
Les tests effectués par la publication spécialisée Advanced Functional Materials, revue par des pairs, ont conclu que les cellules présentaient « des performances exceptionnelles à haut débit (149 mAh g-1 à 5 A g-1), surpassant tous les matériaux de cathode AIB rapportés précédemment ». Le directeur général de GMG, Craig Nicol, a insisté sur le fait que si les cellules de son entreprise n'étaient pas les seules cellules aluminium-ion en graphène en cours de développement, elles étaient facilement les plus solides, les plus fiables et les plus rapides à charger.
« Elle se charge si rapidement qu'elle est en fait un super condensateur », a affirmé Nicol. « Il charge une pile bouton en moins de 10 secondes ». Les nouvelles cellules de batterie sont censées offrir une densité de puissance bien supérieure à celle des batteries lithium-ion actuelles, sans les problèmes de refroidissement, de chauffage ou de terres rares auxquels elles sont confrontées.
Un gros problème est que, chimiquement, l'aluminium est plutôt mauvais. De nombreux composés d'aluminium sont très insolubles dans l'eau, leurs oxydes sont extrêmement stables, et ainsi de suite - il est facile pour quelque chose qui devrait être une réaction secondaire mineure de paralyser une batterie après quelques cycles de charge/décharge. Ainsi, bien que les travaux se soient poursuivis, les capacités théoriques élevées ont souvent semblé ne jamais pouvoir être réalisées dans la pratique.
La clé de ces nouveaux travaux sur les batteries à l'aluminium-soufre a été de réaliser que nous avions déjà résolu l'un des principaux problèmes liés à la fabrication d'une électrode en aluminium, mais que nous l'avions fait dans un domaine complètement différent. Les électrodes en métal pur offrent des avantages considérables en termes de simplicité et de volume, puisqu'il n'y a pas de véritable chimie en jeu et qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des matériaux supplémentaires pour y introduire les ions métalliques. Mais le métal a tendance à se déposer de manière inégale sur les électrodes des batteries, produisant finalement des épines appelées dendrites qui se développent jusqu'à endommager d'autres composants de la batterie ou court-circuiter complètement la cellule. Trouver le moyen de déposer le métal de manière uniforme a donc constitué un obstacle de taille.
Si le temps de charge est reduit à un peu plus d'une minute, la capacité par poids est à peu près égale à celle d'une batterie lithium-ion, et plus de 80 % de cette capacité est encore disponible après 200 cycles. La cellule de la batterie peut même tolérer une charge complète en moins de 20 secondes, bien que la capacité par poids ne soit que d'un peu plus de la moitié de celle d'une batterie lithium-ion. Il y a quelques précautions à prendre. L'un d'eux est que la batterie doit être à environ 110° C pour ce genre de performance. Avec une bonne isolation, il suffit d'un petit chauffage pour faire fondre la batterie.
Cela ne veut pas dire que cette technologie peut nous permettre d'obtenir un aller simple vers le nirvana des batteries. Bien qu'une société ait déjà été créée pour commercialiser cette technologie, il existe déjà une énorme infrastructure dédiée à la production de batteries lithium-ion, et la technologie y est en constante amélioration. Mais si l'approvisionnement en matières premières pour les batteries classiques devient un jour limité, il pourrait être très utile de disposer d'une technologie entièrement basée sur des produits chimiques abondants.
Bien que chaque atome d'aluminium soit un peu plus lourd que le lithium, les atomes et les ions d'aluminium sont physiquement plus petits, car la charge positive plus élevée du noyau attire un peu les électrons. De plus, l'aluminium cède volontiers jusqu'à trois électrons par atome, ce qui signifie que l'on peut déplacer beaucoup de charges pour chaque ion impliqué.
En résumé, cette technologie nécessite encore des avancées continues sur de multiples fronts, qui devraient être réalisées à un faible coût pour maintenir la compétitivité globale des batteries Al-S en termes de coût. Toutefois, compte tenu des récentes réalisations dans des batteries Li-S quelque peu similaires et des découvertes en cours sur les matériaux et les électrolytes des batteries, accélérées par l'apprentissage automatique, on peut s'attendre à ce que les batteries Al-S réalisent leur potentiel de rentabilité et soient déployées à grande échelle.
Source : Nature
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