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 cellules et d’électrodes pour des anodes en aluminium. Elle permet de maîtriser les changements de volume jusqu’alors problématiques lors du chargement et du déchargement, rendant ainsi l’aluminium utilisable comme matériau d’anode pour des applications batterie pratiques.
La feuille d’aluminium sert à la fois de matériau actif et de conducteur électrique.
Image : Fraunhofer IPA/Rainer Bez
L’aluminium est considéré depuis longtemps comme un éventuel remplaçant du graphite ou du silicium dans les batteries lithium-ion. Ce matériau est relativement peu coûteux, largement disponible et permet d’obtenir de hautes capacités. Cependant, en pratique, cette approche a jusqu’à présent échoué en raison de la contrainte mécanique subie par l’électrode : lors de la charge et du déchargement, l’aluminium modifie son volume, ce qui peut provoquer des fissures, des pores et finalement une pulvérisation du matériau de l’électrode. Les conséquences sont des pertes de capacité et une durée de vie limitée.
L’institut Fraunhofer pour la technologie de production et l’automatisation IPA a développé et breveté, en collaboration avec l’institut de photovoltaïque de l’université de Stuttgart, une technologie de cellules et d’électrodes qui vise à 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 sur de nombreux cycles de charge et de décharge.
« Nous rendons pratique une technologie de batteries connue depuis longtemps, mais jusqu’alors difficile à maîtriser », déclare Kai Peter Birke, directeur scientifique chargé des systèmes et stockages à base de batteries et d’hydrogène au Fraunhofer IPA.
Cette approche renonce complètement au graphite et au silicium dans l’anode. Cela permettrait non seulement de réduire la demande en graphite, considéré comme une matière première cruciale pour l’industrie des batteries européenne, mais aussi d’éviter les problèmes liés à de fortes variations de volume qui surviennent avec des anodes riches en silicium. Une autre différence réside dans la structure de l’électrode : comme matériau de base est utilisée une feuille d’aluminium allié couramment disponible, qui agit à la fois en tant que matériau actif et conducteur électrique. Cela permet d’éviter l’utilisation de la feuille de cuivre habituellement employée dans les anodes conventionnelles.
La feuille d’aluminium sert à la fois de matériau actif et de conducteur électrique
Un processus de revêtement séparé, par lequel le matériau actif est appliqué sur l’conducteur électrique, n’est également plus nécessaire. Cela devrait réduire à la fois les coûts de production et la consommation d’énergie lors de la fabrication des électrodes. Les chercheurs mentionnent le lithium-manganate, abrégé LMO, comme cathode potentielle. En combinaison avec l’anode en aluminium, il serait possible d’atteindre une densité énergétique compétitive. De plus, la chimie de la cellule serait exempte de phosphates, ce qui en ferait une alternative économique aux cellules au lithium-fer-phosphate.
L’anode en aluminium pourrait également être associée à des solvants électrolytiques ayant un point d’ébullition élevé. Selon Fraunhofer, en combinant cela avec une cathode LMO sans fluor, il serait même possible de créer une structure de cellule complètement exempte de fluor et donc de PFAS. Cela permettrait également d’éviter le risque de formation d’hydrogène fluoré en cas d’incendie de la batterie.
Fraunhofer envisage des applications initiales principalement dans les domaines où la sécurité, la robustesse et un espace de construction compact sont particulièrement importants. On cite notamment les applications de transport aérien, les systèmes de suivi pour les conteneurs de transport et des appareils médicaux spécialisés.
Pour une utilisation industrielle ultérieure, il est important que la chimie cellulaire puisse être produite sur des installations de production existantes. Selon l’institut, une reconstruction complète de l’infrastructure de fabrication ne serait donc pas nécessaire. Plusieurs prototypes ont déjà été conçus et sont actuellement testés au centre de production numérisée de cellules de batterie du Fraunhofer IPA. L’institut ne mentionne pas encore dans son communiqué actuel de chiffres précis concernant le nombre de cycles, ni la densité énergétique gravimétrique ou volumétrique.
Parallèlement, Fraunhofer travaille à d’autres approches visant à améliorer les cellules de batterie au niveau du matériau et de l’architecture. En septembre dernier, le Fraunhofer ISE a présenté une architecture de cellule dotée d’électrodes nettement plus épaisses. Grâce à une proportion réduite de conducteurs électriques, la densité énergétique devrait augmenter de dix à quinze pour cent selon le type de batterie et sa conception. Cette approche se trouve également encore au stade de la recherche et doit d’abord prouver sa faisabilité à l’échelle industrielle.