Remplacer le graphite de l’anode par de l’aluminium augmente considérablement la capacité et la puissance des batteries lithium-ion, comme le démontre une équipe américano-chinoise. Si le recours à ce matériau n’est pas nouveau, la nanostructure de l’électrode inspirée de l’œuf est prometteuse…

Cette image de synthèse illustre le principe des nanoparticules dont la structure reprend celle d’un œuf. La sphère grise au centre représente une nanoparticule d’aluminium et l’enveloppe bleu clair la coquille d’oxyde de titane. L’espace libre entre les deux permet à la nanoparticule de se dilater et de se contracter lors des cycles charge-décharge de la batterie sans endommager la coquille

La batterie lithium-ion est, pour le moment, la source d’alimentation la plus répandue pour lessmartphones, tablettes,ordinateurs portables mais aussi pour les voitures électriques. Le temps de charge et la puissance de ces batteries sont deux domaines où les travaux de recherche et développement s’activent sans relâche pour faire toujours mieux.Dernièrement, une équipe réunissant des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology(MIT) et de l’université chinoise de Tsinghua a publié un article dans la revue Nature Communications exposant une avancée susceptible de réduire considérablement le temps de charge et d’augmenter significativement la puissance des batteries lithium-ion. Dans le cadre de tests en laboratoire, ils ont multiplié par trois la capacité de stockage de charge. Et ce n’est pas tout… En augmentant le taux de charge de la batterie, celle-ci a été complètement chargée en seulement six minutes.Pour obtenir un tel résultat, les scientifiques ont surmonté l’un des principaux obstacles qui a trait au principe même du fonctionnement de la batterie lithium-ion. Au fil des cycles charge-décharge, cette dernière se détériore irrémédiablement. Cela est lié au phénomène de dilatation-contraction qui s’exerce au moment de ces cycles. Lorsque la batterie est en charge, les ionslithiummigrent de la cathode vers l’anode qui va se dilater. Lorsque la batterie se décharge, l’anode se contracte. Ces contraintes mécaniques finissent par endommager l’anode, ce qui se traduit par une baisse des performances et de la durée de vie de la batterie.Actuellement, l’anode d’une batterie lithium-ion est engraphite qui offre un compromis viable entre la capacité de stockage de charge – 0,35 ampère-heure par gramme (Ah/g) – et le coût de fabrication. Mais il existe des matériaux beaucoup plus performants, comme le graphène, ou l’aluminium auquel l’équipe emmenée par le professeur Ju Li du MIT a eu recours. Ce n’est pas la première fois que l’aluminium est employé pour améliorer les performances des batteries lithium-ion. Au printemps dernier, nous avions consacré un article aux travaux de l’université de Stanford dont la batterie composée d’une anode en aluminium pouvait être rechargée en à peine une minute.
Si l’aluminium fait partie des matériaux les plus prometteurs pour remplacer le graphite dans les batteries lithium-ion, le graphène, représenté ici en vue d'artiste, est lui aussi un sérieux candidat. Mais dans un cas comme dans l’autre, la nécessité de recourir aux nanotechnologies pose encore un important problème de coût. © Jannik Meyer

La nanotechnologie basée sur la structure d’un œuf

L’aluminium a l’avantage d’être peu onéreux et d’offrir une capacité de stockage de charge nettement supérieure à celle du graphite (capacité théorique de 2 Ah/g). Problème, ce matériau est lui aussi sujet au phénomène de dilatation et de contraction. C’est là que l’équipe du professeur Li a trouvé une solution prometteuse en faisant appel à la nanotechnologie dite yolk shell qui est basée sur la structure d’un œuf (en anglais yolk signifie vitellus, ou le « jaune » de l’œuf, et shell coquille). Lesnanoparticules d’aluminium sont confinées dans une coquille faite d’oxyde de titane, avec un vide suffisant pour leur permettre de se dilater et de se contracter librement. La coquille elle-même reste stable et isole efficacement l’aluminium de l’électrolyte.Lors des tests effectués en laboratoire avec un taux de charge normal, l’électrode de cette batterie a délivré 1,2 Ah/g, plus de trois fois la capacité obtenue avec une anode en graphite. Et avec un taux de charge accéléré, il n’a donc fallu que six minutes pour une charge complète. Les chercheurs précisent que la capacité après 500 cycles charge/décharge était encore de 0,66 Ah/g, soit pas loin du double d’une batterie à anode en graphite. Selon le professeur Li, l’aluminium est non seulement peu onéreux, mais la méthode de fabrication de ce type de batteries pourrait être facilement industrialisable.Le principe des nanoparticules yolk shell a récemment été appliqué à un autre matériau, le graphène. Des chercheurs sud-coréens ont créé une anode de batterie lithium-ion à base denanoparticules de silicium protégées par une couche de graphène. Ils ont ainsi pu multiplier par 1,8 la capacité de charge. Reste que, dans le cas de l’aluminium comme dans celui du graphène, le coût du recours à la nanotechnologie pour fabriquer ces anodes est encore largement prohibitif pour envisager un passage à l’étape industrielle. C’est désormais ce à quoi va s’attaquer l’équipe du professeur Li. Après avoir breveté cette technologie, les chercheurs vont devoir trouver le moyen de réduire le coût de production de ces nanoparticules d’aluminium.