Des chercheurs du Georgia Institute of Technology développent des batteries à haute densité énergétique utilisant du papier d’aluminium, une alternative plus rentable et plus respectueuse de l’environnement aux batteries lithium-ion. Les nouvelles anodes en aluminium dans les batteries à semi-conducteurs offrent un stockage d’énergie et une stabilité plus élevés, alimentant potentiellement davantage les véhicules électriques avec une seule charge et rendant les avions électriques plus réalisables.
Une bonne batterie a besoin de deux choses : une densité énergétique élevée pour alimenter les appareils et une stabilité pour pouvoir être rechargée des milliers de fois en toute sécurité et de manière fiable. Au cours des trente dernières années, les batteries lithium-ion ont régné en maître, prouvant leurs performances dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques.
Mais les chercheurs en batteries ont commencé à se rapprocher des limites du lithium-ion. Alors que les véhicules à longue autonomie et les avions électriques de nouvelle génération commencent à arriver sur le marché, la recherche de systèmes de batteries plus sûrs, moins chers et plus puissants, capables de surpasser le lithium-ion, s’accélère.
Une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology, dirigée par Matthew McDowell, professeur agrégé à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering et à la School of Materials Science and Engineering, utilise du papier d’aluminium pour créer des batteries avec une densité énergétique plus élevée et une plus grande la stabilité. Le nouveau système de batterie de l’équipe, détaillé dans Communications naturellespourrait permettre aux véhicules électriques de fonctionner plus longtemps avec une seule charge et serait moins cher à fabriquer, tout en ayant un impact positif sur l’environnement.
Yuhgene Liu, étudiant chercheur diplômé, possède un matériau en aluminium pour les batteries à semi-conducteurs. Crédit : Institut de technologie de Géorgie
« Nous recherchons toujours des batteries avec une densité énergétique plus élevée, qui permettraient aux véhicules électriques de parcourir de plus longues distances avec une charge », a déclaré McDowell. « Il est intéressant que nous puissions utiliser l’aluminium comme matériau de batterie, car il est rentable, hautement recyclable et facile à travailler. »
L’idée de fabriquer des batteries avec de l’aluminium n’est pas nouvelle. Les chercheurs ont étudié son potentiel dans les années 1970, mais sans succès.
Lorsqu’il est utilisé dans une batterie lithium-ion conventionnelle, l’aluminium se fracture et se brise en quelques cycles de charge-décharge, en raison de l’expansion et de la contraction lorsque le lithium entre et sort du matériau. Les développeurs ont conclu que l’aluminium n’était pas un matériau de batterie viable et l’idée a été largement abandonnée.
Désormais, les batteries à semi-conducteurs sont entrées en scène. Alors que les batteries lithium-ion contiennent un liquide inflammable pouvant provoquer des incendies, les batteries à semi-conducteurs contiennent un matériau solide qui n’est pas inflammable et, par conséquent, probablement plus sûr. Les batteries solides permettent également d’intégrer de nouveaux matériaux actifs hautes performances, comme le montre cette recherche.
Une batterie à semi-conducteurs construite dans le laboratoire de Matthew McDowell à Georgia Tech. Crédit : Institut de technologie de Géorgie
Le projet a commencé comme une collaboration entre l’équipe de Georgia Tech et Novelis, l’un des principaux fabricants d’aluminium et le plus grand recycleur d’aluminium au monde, dans le cadre du Novelis Innovation Hub de Georgia Tech. L’équipe de recherche savait que l’aluminium présenterait des avantages en termes d’énergie, de coût et de fabrication lorsqu’il était utilisé comme matériau dans l’anode de la batterie (le côté chargé négativement de la batterie qui stocke le lithium pour créer de l’énergie) mais les feuilles d’aluminium pur échouaient rapidement lorsqu’elles étaient testées dans des batteries. .
L’équipe a décidé d’adopter une approche différente. Au lieu d’utiliser de l’aluminium pur dans les feuilles, ils ont ajouté de petites quantités d’autres matériaux à l’aluminium pour créer des feuilles avec des « microstructures » particulières ou des arrangements de différents matériaux. Ils ont testé plus de 100 matériaux différents pour comprendre comment ils se comporteraient dans les batteries.
« Nous avions besoin d’incorporer un matériau qui résoudrait les problèmes fondamentaux de l’aluminium en tant qu’anode de batterie », a déclaré Yuhgene Liu, titulaire d’un doctorat. étudiant au laboratoire de McDowell et premier auteur de l’article. « Notre nouvelle anode en feuille d’aluminium a démontré des performances et une stabilité nettement améliorées lorsqu’elle est mise en œuvre dans des batteries à semi-conducteurs, par opposition aux batteries lithium-ion conventionnelles. »
L’équipe a observé que l’anode en aluminium pouvait stocker plus de lithium que les matériaux d’anode conventionnels, et donc plus d’énergie. En fin de compte, ils ont créé des batteries à haute densité énergétique qui pourraient potentiellement surpasser les batteries lithium-ion.
Le chercheur postdoctoral Dr Congcheng Wang construit une cellule de batterie. Crédit : Institut de technologie de Géorgie
« L’un des avantages de notre anode en aluminium qui nous passionne est qu’elle permet d’améliorer les performances, mais elle peut également être très rentable », a déclaré McDowell. « De plus, lorsque nous utilisons une feuille directement comme composant de batterie, nous supprimons de nombreuses étapes de fabrication qui seraient normalement nécessaires pour produire un matériau de batterie. »
Des avions électriques à courte portée sont en cours de développement par plusieurs sociétés, mais le facteur limitant réside dans les batteries. Les batteries d’aujourd’hui ne contiennent pas suffisamment d’énergie pour permettre aux avions de parcourir des distances supérieures à 150 milles environ. De nouvelles compositions chimiques de batterie sont nécessaires, et les batteries à anode en aluminium de l’équipe McDowell pourraient ouvrir la porte à des technologies de batterie plus puissantes.
« Le succès initial de ces anodes en feuille d’aluminium ouvre une nouvelle direction pour découvrir d’autres matériaux potentiels pour les batteries », a déclaré Liu. « Nous espérons que cela ouvrira la voie à la réinvention d’une architecture de cellules de batterie plus optimisée en termes d’énergie et plus rentable. »
L’équipe travaille actuellement à augmenter la taille des batteries afin de comprendre comment la taille influence le comportement de l’aluminium. Le groupe explore également activement d’autres matériaux et microstructures dans le but de créer des feuilles très bon marché pour les systèmes de batteries.
« Il s’agit de l’histoire d’un matériau connu depuis longtemps, mais qui a été largement abandonné au début du développement des batteries », a déclaré McDowell. « Mais grâce à de nouvelles connaissances, combinées à une nouvelle technologie – la batterie à semi-conducteurs – nous avons compris comment nous pouvons rajeunir l’idée et atteindre des performances vraiment prometteuses. »
Le soutien est reconnu par Novelis, Inc. MTM reconnaît le soutien d’une bourse de recherche Sloan en chimie de la Fondation Alfred P. Sloan. Ce travail a été réalisé en partie au Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology, membre de la National Nanotechnology Cooperative Infrastructure (NNCI), soutenue par la National Science Foundation (ECCS-2025462).
