L'aluminium plutôt que le graphite : l'institut Fraunhofer IPA résout un problème central de la recherche sur les anodes
Une cellule de batterie sans PFAS devient réalisable à l'échelle industrielle
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L'aluminium est depuis longtemps considéré comme un matériau d'anode prometteur pour les batteries lithium-ion, mais les pertes de capacité et la dégradation structurelle du matériau ont jusqu'à présent empêché son utilisation industrielle. Le Fraunhofer IPA vient de réaliser une avancée technologique majeure : une technologie brevetée permet de stabiliser l’anode en aluminium lors de cycles répétés de charge et de décharge. Cette avancée rend ainsi exploitable une technologie qui allie des densités énergétiques élevées à une architecture de cellule durable, sûre, économique et robuste.
Un fort potentiel – jusqu’à présent limité par la dégradation du matériau
L’aluminium est depuis longtemps considéré comme un matériau d’anode prometteur pour les batteries lithium-ion. Il est disponible, peu coûteux et permet d’atteindre des capacités élevées. L’état de la technique actuel présentait toutefois un défi majeur : lors de la charge et de la décharge, l’aluminium change de volume. Il en résulte des contraintes mécaniques qui entraînent des fissures, la formation de pores et, à terme, la pulvérisation du matériau de l’électrode. Il en résulte une baisse de capacité et une durée de vie limitée de la cellule. Ces dommages matériels ont jusqu’à présent empêché l’utilisation industrielle des anodes en aluminium.
Des innovations brevetées stabilisent l’anode en aluminium
L’Institut Fraunhofer pour les techniques de production et l’automatisation (IPA), en collaboration avec l’Institut de photovoltaïque de l’université de Stuttgart, a développé et breveté une technologie de cellules et d’électrodes qui empêche précisément ces processus de vieillissement et résout ainsi le problème central. Ces innovations stabilisent les matériaux pendant le fonctionnement et préservent le contact électrique au sein de l’électrode tout au long de nombreux cycles de charge et de décharge.
« Nous rendons utilisable dans la pratique une technologie de batterie connue depuis longtemps, mais jusqu’à présent difficile à maîtriser », explique le professeur Kai Peter Birke, directeur scientifique chargé des systèmes et du stockage de batteries et d’hydrogène à l’Institut Fraunhofer IPA. « Notre approche allie des densités énergétiques élevées à une chimie des cellules simple, robuste et axée sur la sécurité. » Cette technologie ne nécessite ni graphite ni silicium dans l’anode. Elle permet ainsi d’éviter les défis typiques des anodes conventionnelles à haute énergie à forte teneur en silicium, liés aux importantes variations de volume et aux dommages matériels qui en résultent lors des processus de charge et de décharge. De plus, elle permet de se passer du graphite couramment utilisé dans l’anode, ce qui est considéré comme un risque majeur d’approvisionnement pour l’industrie européenne des batteries.
Le matériau de base de l’anode en aluminium est une feuille d’aluminium alliée, disponible dans le commerce et peu coûteuse, qui joue à la fois le rôle de conducteur de courant et de matériau actif. Il est ainsi possible de se passer complètement d’une feuille de cuivre comme support. De plus, le processus de revêtement complexe, qui rend le matériau actif utilisable en tant qu’électrode, n’est plus nécessaire. Cela réduit considérablement non seulement les coûts de fabrication, mais aussi la consommation d’énergie lors de la production des électrodes.
La cathode au lithium-oxyde de manganèse comme alternative à la cathode au lithium-phosphate de fer
En tant que concept de cellule, cette anode en aluminium peut parfaitement être associée à une cathode à l’oxyde de lithium-manganèse (LMO) peu coûteuse et sans fluor. Cela permet d’obtenir une densité énergétique compétitive pour les cellules de batterie à base de LMO et offre une alternative sans phosphate et économique à la cellule au lithium-phosphate de fer largement répandue.
De plus, cette anode en aluminium peut être utilisée avec d’autres solvants électrolytiques présentant un point d’éclair élevé, ce qui permet un fonctionnement sûr à des températures élevées. Cette combinaison d’un électrolyte alternatif sans fluor et d’une cathode LMO sans fluor permettrait d’obtenir une structure de cellule entièrement exempte de fluor et donc également de PFAS. Le risque de fuite de fluorure d’hydrogène hautement toxique provenant d’une batterie lithium-ion serait ainsi totalement éliminé.
La stabilité des matériaux devenant désormais maîtrisable, de nouvelles applications s’ouvrent pour l’anode en aluminium. Cette chimie de cellule sûre et robuste permet une utilisation dans le fret aérien, par exemple pour le suivi des conteneurs de transport, ou dans des appareils médicaux spécialisés. Ces applications nécessitent des systèmes de stockage d’énergie compacts, fiables et pouvant fonctionner en toute sécurité.
Production possible sur des installations existantes
Autre avantage : la chimie de la cellule est conçue pour être fabriquée sur des installations de production existantes. Elle peut ainsi être intégrée dans les processus industriels existants sans qu’il soit nécessaire de mettre en place de toutes nouvelles infrastructures de fabrication. Les scientifiques dirigés par le professeur Birke ont construit plusieurs prototypes de leur nouvelle batterie et les testent actuellement dans les laboratoires du Centre pour la production numérisée de cellules de batterie (ZDB) de l’Institut Fraunhofer IPA.
« Notre objectif est de mettre au point une technologie de batterie alliant une densité énergétique élevée, un fonctionnement robuste des cellules et une fabrication rentable », explique Kathrin Schad, membre de l’équipe de recherche sur les technologies de batteries au Fraunhofer IPA. « Cette avancée majeure en matière de stabilité des matériaux fait des batteries à anodes en aluminium une option réaliste pour la prochaine génération de systèmes de stockage d’énergie hautement performants. »
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