Fraunhofer stabilise les anodes en aluminium pour les batteries au lithium-ion
Le Fraunhofer IPA et l’Université de Stuttgart ont développé une nouvelle technologie de cellule et d’électrode pour les anodes en aluminium. Elle vise à maîtriser les changements de volume auparavant problématiques lors de la charge et de la décharge, permettant ainsi l’utilisation de l’aluminium comme matériau d’anode dans des applications batterie pratiques.
La feuille d’aluminium sert à la fois de matériau actif et de collecteur de courant.
Image : Fraunhofer IPA/Rainer Bez
L’aluminium est depuis longtemps considéré comme un remplaçant potentiel du graphite ou du silicium dans les batteries lithium-ion. Ce matériau est relativement peu coûteux, largement disponible et offre de grandes capacités. Cependant, en pratique, cette approche a jusqu’à présent échoué en raison de la contrainte mécanique exercée sur l’électrode : lors de la charge et de la décharge, l’aluminium subit des changements de volume qui peuvent provoquer des fissures, des pores et, finalement, la pulvérisation du matériau de l’électrode. Le résultat est une perte de capacité et une durée de vie limitée.
L’Institut Fraunhofer pour l’ingénierie de fabrication et l’automatisation IPA, en collaboration avec l’Institut de photovoltaïsque de l’Université de Stuttgart, a développé et breveté une technologie de cellules et d’électrodes permettant de lutter contre ces processus de vieillissement. Selon les chercheurs, cette approche stabilise les matériaux pendant leur fonctionnement et maintient le contact électrique au sein de l’électrode au cours de nombreux cycles de charge et de décharge.
« Nous créons une technologie de batterie qui existe depuis longtemps mais était difficile à maîtriser pour en faire un outil pratiquement utilisable », a déclaré Kai Peter Birke, directeur scientifique des systèmes et stockage à base de batteries et d’hydrogène chez Fraunhofer IPA, dans un communiqué de presse en langue allemande.
Cette approche élimine complètement le graphite et le silicium de l’anode. Cela permettrait non seulement de réduire la demande en graphite, considéré comme une matière première essentielle pour l’industrie des batteries en Europe, mais aussi d’éliminer les problèmes liés aux changements importants de volume dans les anodes à forte teneur en silicium. Une autre différence réside dans la structure de l’électrode : le matériau de départ est une feuille d’aluminium allié disponible sur le marché, qui sert à la fois de matériau actif et de collecteur de courant. Cela élimine le besoin de la feuille de cuivre généralement utilisée dans les anodes conventionnelles.
La feuille d’aluminium sert de matériau actif et de collecteur de courant
Un processus de revêtement distinct, utilisé pour appliquer le matériau actif sur le collecteur de courant, est également supprimé. Cela devrait réduire à la fois les coûts de traitement et la consommation d’énergie lors de la fabrication des électrodes. Les chercheurs citent l’oxyde de manganèse lithium (LMO) comme un cathode possible. En combinaison avec l’anode en aluminium, une densité énergétique compétitive pourrait être atteinte. Par ailleurs, la chimie de la cellule serait exempte de phosphate et pourrait ainsi représenter une alternative économiquement avantageuse aux cellules au phosphate de fer lithium.
L’anode en aluminium pourrait également être associée à des solvants d’électrolyte ayant un point d’ébullition élevé. Avec un cathode LMO sans fluor, Fraunhofer affirme qu’une structure de cellule complètement exempte de fluor, et donc de PFAS, serait même possible. Cela éviterait également le risque de formation de fluorure d’hydrogène en cas d’incendie de la batterie.
Fraunhofer voit des applications initiales principalement dans les domaines où la sécurité, la robustesse et un espace d’installation compact sont particulièrement importants. Cela inclut, entre autres, les applications de transport aérien, les systèmes de suivi pour les conteneurs de transport et des dispositifs médicaux spécialisés.
Pour une utilisation industrielle ultérieure, il est important que la chimie des cellules puisse être produite dans les installations existantes. Selon l’institut, une reconstruction complète de l’infrastructure de production ne serait donc pas nécessaire. Plusieurs prototypes ont déjà été fabriqués et sont actuellement testés au Centre de production de cellules de batterie numérisées du Fraunhofer IPA. L’institut n’a pas encore fourni de détails sur le nombre exact de cycles, ni sur la densité énergétique gravimétrique ou volumétrique dans son annonce actuelle.
Parallèlement, Fraunhofer travaille à de nouvelles approches visant à améliorer les cellules de batterie au niveau des matériaux et de l’architecture. En septembre, Fraunhofer ISE a présenté une architecture de cellule dotée d’électrodes nettement plus épaisses. En réduisant la proportion de collecteurs de courant, il est possible d’augmenter la densité énergétique de 10 à 15 %, en fonction du type et de la conception de la batterie. Cette approche est encore à l’étape de la recherche et doit d’abord prouver sa faisabilité industrielle.