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...
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