Une nouveau type de batterie à base de matériaux courants, sûre, efficace et peu coûteuse

Source Q. Pang et al., Nature via TrustMyScience

Pour illustration

Les batteries lithium-ion ont rapidement conquis le marché grâce à leur haute densité énergétique. Mais de par l’explosion de la demande pour la fabrication des batteries automobiles, le prix du lithium est aujourd’hui très élevé : autour de 45 000 € la tonne (soit environ 360% plus cher qu’il y a un an). Dans ce contexte, une équipe du MIT a développé une batterie fabriquée à partir de matériaux abondants et peu coûteux : de l’aluminium, du soufre et du sel. Non seulement cette nouvelle batterie est moins chère à produire, mais elle est aussi très résistante.

L’autre inconvénient majeur des batteries lithium-ion est qu’elles contiennent un électrolyte inflammable, elles peuvent donc prendre feu ou exploser si elles sont endommagées ou mal utilisées. Pourtant, la demande ne va pas diminuer de sitôt : le déploiement massif de panneaux solaires et d’éoliennes doit nécessairement s’accompagner de systèmes de secours pour combler les besoins lorsque les conditions climatiques ne sont pas favorables. Alors que le monde tente de réduire ses émissions de CO2 en augmentant l’usage des énergies renouvelables et des véhicules électriques, il est essentiel de trouver des alternatives de stockage plus sûres et moins coûteuses.

La batterie conçue par le professeur Donald Sadoway et ses collègues répond idéalement à ce besoin. Elle utilise l’aluminium et le soufre comme matériaux d’électrodes, séparés par un électrolyte de sel fondu. L’aluminium est rapidement apparu comme un matériau de choix : c’est le métal le plus abondant sur Terre et aussi le 2e métal du marché (derrière le fer). Le soufre est quant à lui le moins cher de tous les non-métaux ; on le trouve en grande quantité dans la nature, sous forme de sulfures et de sulfates, et c’est également un déchet du raffinage du pétrole.

Des taux de charge particulièrement élevés

Pour l’électrolyte, il était exclu d’utiliser des liquides organiques volatils et inflammables. Les chercheurs ont donc testé différents sels fondus dont les points de fusion étaient relativement bas — le but étant de s’affranchir des mesures d’isolation et d’anticorrosion, explique Sadoway dans un communiqué. Leur choix s’est porté sur un sel fondu composé de NaCl-KCl-AlCl3. L’équipe explique que les chloroaluminates fondus contiennent des espèces AlnCl3(n+1) sous forme de chaînes, dont les liaisons Al-Cl-Al confèrent une cinétique de désolvatation facile de l’ion Al3+, ce qui entraîne des courants d’échange faradiques élevés pour former la base de la charge à haut débit de la batterie.

« Nous montrons que la voie de conversion multi-étapes entre l’aluminium et le chalcogène permet une charge rapide jusqu’à 200 °C, et que la batterie supporte des centaines de cycles à des taux de charge très élevés », rapportent les chercheurs dans Nature. D’après leurs expériences, ils ont constaté que le taux de charge dépendait fortement de la température de travail : à 110 °C, le taux s’avérait ainsi 25 fois plus élevé qu’à 25 °C. Mais l’équipe précise que la batterie n’a pas besoin d’une source de chaleur externe pour atteindre cette température : la chaleur produite naturellement par le cycle de charge et de décharge est suffisante.

Par ailleurs, le sel de chloroaluminate choisi comme électrolyte présentait un avantage inattendu : il empêchait la formation de dendrites d’aluminium — des pointes de métal étroites qui s’accumulent avec le temps sur une électrode, puis grandissent jusqu’à entrer en contact avec l’autre électrode, ce qui provoque des courts-circuits. Le phénomène impacte largement l’efficacité des batteries lithium-ion. Même à des taux de charge très élevés (charge inférieure à une minute), l’équipe n’a observé aucun court-circuit. Un nouvel exemple de sérendipité en somme. « Si nous avions commencé par essayer d’empêcher le court-circuit dendritique, je ne suis pas sûr que j’aurais su comment y parvenir », a déclaré Sadoway.

Une solution au déploiement massif de véhicules électriques

Autre avantage (et non des moindres) : le coût d’une cellule aluminium-soufre devrait être inférieur à un sixième de celui des cellules lithium-ion de taille similaire. « Composée d’éléments terrestres qui peuvent être obtenus de manière éthique et utilisés à des températures modérément élevées, juste au-dessus du point d’ébullition de l’eau, cette chimie présente toutes les caractéristiques d’une batterie bon marché, rechargeable, résistante au feu et recyclable », conclut l’équipe.

Les chercheurs pensent que leur batterie serait idéale pour des installations de l’ordre de quelques dizaines de kilowattheures (pour stocker l’énergie d’une maison ou d’une petite entreprise alimentée par des énergies renouvelables par exemple).

De par leur charge rapide, elle serait également très pratique pour les stations de recharge de véhicules électriques. Si ces derniers deviennent majoritaires sur les routes, nous aurons effectivement besoin de points de recharge plus nombreux et rapides. Or, l’ampérage des lignes qui alimentent aujourd’hui les stations n’est pas suffisant pour cet usage. Le fait de disposer de telles batteries pour stocker l’énergie et la restituer rapidement en cas de besoin permettrait d’éviter l’installation de nouvelles lignes électriques coûteuses.

Les brevets des batteries aluminium-soufre ont été cédés sous licence à une entreprise dérivée, appelée Avanti, cofondée par Sadoway et Luis Ortiz. Le premier objectif de l’entreprise est de démontrer que le système fonctionne à grande échelle, puis de le soumettre à une série de tests de résistance.

Pour les besoins plus importants, à l’échelle du réseau (soit jusqu’à plusieurs centaines de mégawattheures), d’autres technologies pourraient être plus efficaces, notamment des batteries à métal liquide que Sadoway et ses étudiants ont développées il y a plusieurs années et qui seront bientôt commercialisées par Ambri (une entreprise cofondée en 2010 par Sadoway et Ortiz également).

Source : Q. Pang et al., Nature via TrustMyScience

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Volti

8 Commentaires

  1. Intéressant, je ne savais pas. Je reste néanmoins partisan de la décroissance.

    Mais sans abandonner la technologie, au contraire, sauf que ça ne serait plus un jouet mais un outil à l’échelle humaine et planétaire.

    L’aluminium n’est pas inoffensif, au niveau de l’extraction de de la purification. Et chaque année on en pompe plus que l’année précédente malgré le (faible taux de) recyclage.

    Et tant qu’on fera l’électricité avec du charbon, autant faire des voitures au charbon.

    Et le reste de la voiture est une catastrophe écologique en soi, hors motorisation, et tant qu’on en fabriquera des millions pas an pour des intérêts financiers, on continuera de détruire inutilement la planète.

    La voiture est un jouet pourtant obligatoire pour beaucoup. Son statut de jouet en rend la fabrication compliquée et destructrice (il faut bien amuser le joueur), alors que ça devrait rester un outil simple durable et fonctionnel.

  2. Quand on voit qu’on ne peut même plus tourner la clé dans la serrure, ni une manivelle pour baisser une vitre…La seule chose que je trouve pratique est la fait d’ouvrir la vitre passager du poste de conduite. Plus besoin de faire de la gymnastique dangereuse.
    Sinon tout le reste, c’est du gadget. Notamment le GPS qui envoie les gens dans les sens interdits…
    Oui au moteur thermique.
    Oui à la sobriété, on prend ses pieds quand c’est possible.
    Et oui, il y a des endroits où la voiture est indispensable.

    • Genres de gadgets ridicules, qui rendent les voitures couteuses en entretien : capteur de luminosité qui met en marche automatiquement les phares (pour les aveugles peut-être), capteur de pluie qui met en marche les essuie-glaces (idem : pour les aveugles?), ouverture et fermeture électrique du coffre, capteur de présence du chauffeur sur son siège qui indique éventuellement que la ceinture de sécurité n’est pas mise (!), chauffage/climatisation bi-zone (au cas ou monsieur ait chaud et madame froid ou l’inverse !!), vitres électriques, sièges réglables électriquement, cartes électroniques, écrans, et ses multiples capteurs qui gèrent le moteur (quid de la fiabilité? Casse tête pour les garagistes), voyant qui indiquent qu’il faut faire la vidange même si la voiture est à l’arrêt depuis un an : vu sur une DS4, etc…etc…. Passons sur les “innovations” techniques : courroie de distribution au lieu d’un arbre à cames latéral mû par des engrenages + tiges et culbuteurs (inusable), chaînette reliant 2 arbres à cames (quand elle casse, réparation couteuse : un petit train d’engrenages c’est fiable. Oups, c’est vrai, ce n’est pas le but recherché), cylindrée des moteurs de plus en plus faible (classique des 1400 au lieu des 2 litres, des 3 cylindres au lieu de 4 soit des moteurs plus fragiles qui n’atteindrons jamais 800 000km comme cela était courant au siècle précédent), avec la norme Euro 8 ou 10 il restera un moteur de 49,9 cc !
      Voiture à durée de vie réduite c’est autant d’énergie grise (énergie nécessaire à la fabrication du produit) d’utilisée, énergie dont personne ne parle : faut pas le dire.
      De toutes façons, il n’y a pas de véhicule sans impact sur l’environnement, à part la bicyclette. Les voitures électriques polluent 1,5 fois ce que polluent (à puissance, masse, autonomie équivalente) les voitures diesel FAP ou/et Cérine. Oups, c’est vrai, cela implique d’importer du gasoil de Russie https://lesmoutonsenrages.fr/wp-content/plugins/wp-monalisa/icons/wpml_sad.gif …/…. ce qui explique cela.

  3. ” Les chercheurs ont donc testé différents sels fondus dont les points de fusion étaient relativement bas — le but étant de s’affranchir des mesures d’isolation et d’anticorrosion,”

    ” un sel fondu composé de NaCl-KCl-AlCl3 ” (tiens? les petits cousins de Chemtrails )

    ” permet une charge rapide jusqu’à 200 °C, …..
    … ils ont constaté que le taux de charge dépendait fortement de la température de travail : à 110 °C ” (chouette, en pleine canicule, vous en auriez pas une qui REFROIDIE ? )
    (et la dégradation des Isolants Plastiques soi-disant “fakes-hautes-températures” ? )

    https://lesmoutonsenrages.fr/wp-content/plugins/wp-monalisa/icons/wpml_scratch.gif

    Les avantages, c’est bien beau tout sa…
    et nous savons que l’époque de fabriquer de la QUALITé…. c’est TER MI NER !!
    Méme s’ils prennent le Marché…. POUF !
    Donc…. NON !

    Vous connaissez pas le dicton des Alchimistes?
    (en language clair) “Méme avec le Bon Procédé et les Meilleurs Elements du Monde,
    les Gens Méprisables n’obtiendront jamais, la Pierre Philosophale”
    (car leurs résultats sera systématiquement….Méprisable)
    https://lesmoutonsenrages.fr/wp-content/plugins/wp-monalisa/icons/wpml_negative.gif

    Avis personnel.

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