Technologie des batteries aluminium‑air: Alimenter les VE avec de l’aluminium recyclé

De nouvelles approches des limites des véhicules électriques

Les VE ont pris d’assaut le marché automobile, des pays comme la Chine et la Norvège affichant déjà une forte pénétration du marché. En même temps, l’adoption des VE continue de traîner dans de nombreux pays en raison de quelques limitations clés:

• Autonomie faible pour les modèles de VE moins chers.
• Vitesse de charge lente, qui combinée à la recharge fréquente due à la faible autonomie peut rendre les longs trajets difficiles.
• Inquiétude quant à la capacité des réseaux électriques à gérer l’ajout de millions de nouveaux VE.

L’industrie cherche à améliorer l’autonomie et la vitesse de recharge grâce à de nouvelles chimies de batteries et à des réseaux plus denses de bornes rapides. Les difficultés restent importantes. Nous examinons différentes technologies dans l’article « L’avenir de la mobilité : les technologies de batteries ».

La production variable des énergies renouvelables demande aussi une organisation adaptée. La recharge de nombreux véhicules le soir, au retour du travail et lorsque la production solaire diminue, peut accroître la demande sur les réseaux locaux.

Une autre possibilité consiste à employer un combustible métallique recyclable. Au lieu de choisir uniquement entre un moteur thermique à carburant liquide et un véhicule à batterie rechargeable, on pourrait ravitailler un véhicule électrique en aluminium.

Le potentiel énergétique de l’aluminium

L’aluminium est le métal le plus abondant de la croûte terrestre, dont il représente environ 8 %. Sa production, de la bauxite à l’alumine puis au métal, nécessite beaucoup d’énergie. Il est donc parfois qualifié d’« électricité gelée ».

L’aluminium peut être très réactif dans certaines conditions. Sa poudre est utilisée en pyrotechnie et entrait dans la composition du propergol solide des propulseurs de la navette spatiale. Le contenu énergétique chimique du métal par unité de volume peut atteindre environ 2,5 fois celui du gazole ou de l’essence. Cela ne correspond pas à la densité d’énergie électrique utilisable d’une batterie complète.

Les batteries aluminium‑air produisent de l’électricité lorsque l’aluminium s’oxyde à l’anode et que l’oxygène de l’air est réduit à la cathode. La technologie peut offrir une forte densité énergétique. RiAlAiR présente ses systèmes comme jusqu’à huit fois plus légers et quatre fois moins volumineux que les solutions lithium-ion retenues pour sa comparaison. Il s’agit d’une affirmation du fabricant, pas d’une garantie générale pour tous les packs.

Les batteries aluminium-air ne doivent pas être confondues avec les batteries aluminium-ion, qui reposent sur un autre mécanisme électrochimique utilisant des ions aluminium comme porteurs de charge.

Source: Energy Post

Avantages des batteries aluminium‑air

L’oxygène est prélevé dans l’air plutôt que de stocker tout le matériau actif de la cathode dans la batterie. La cathode à air nécessite néanmoins une structure conductrice et un catalyseur. Cette configuration peut réduire la masse.

Le système est un générateur électrochimique qui consomme de l’aluminium et fournit du courant à un moteur électrique. La stabilité de sa tension dépend de sa conception et de la charge : elle n’est pas automatiquement constante pendant toute la décharge.

Les systèmes aqueux de ce type ne se rechargent pas simplement sur une prise. Il faut remplacer les anodes consommées et traiter les produits de réaction pour régénérer le métal. MAL a présenté un objectif de remplacement en quelque 90 secondes, et non une durée universelle. Ce processus diffère du ravitaillement liquide et d’une recharge rapide de 10 à 15 minutes.

Une combinaison avec des batteries rechargeables permettrait d’utiliser, selon les besoins, de l’électricité directement chargée ou de l’aluminium comme vecteur énergétique, sans carburant fossile à bord.

Avantages de l’infrastructure

Un avantage est l’existence d’une industrie établie du recyclage des déchets métalliques d’aluminium. Les batteries lithium-ion sont également recyclées, mais leurs filières de collecte et leurs procédés sont différents.

Des déchets d’aluminium convenablement traités provenant de bâtiments, de machines ou d’avions peuvent servir de matière première. L’anode n’exige ni lithium, ni nickel, ni cobalt. Il faut toutefois distinguer la refonte de métal de la régénération de l’aluminium à partir des produits d’oxydation de la batterie, qui demande un apport énergétique important.

Le remplacement des anodes peut déplacer la demande énergétique de la station de ravitaillement vers la production et la régénération de l’aluminium. Ces opérations peuvent être programmées en fonction des disponibilités d’électricité renouvelable. Le besoin énergétique ne disparaît donc pas : il est déplacé dans le temps et dans l’espace.

L’aluminium est un solide stable dont la couche d’oxyde protectrice limite l’oxydation ultérieure. Il peut ainsi être stocké durablement. Son coût global comparé aux batteries, à l’ammoniac ou à l’hydrogène dépend de l’ensemble de la chaîne énergétique et de l’usage.

L’aluminium solide peut être transporté par camion ou par train ordinaire, sans les mêmes équipements sous pression ou cryogéniques que certaines solutions à hydrogène.

Coût de l’aluminium – Source : RiAlAiR

Inconvénients des batteries aluminium‑air

Le remplacement des anodes nécessite une distribution et une collecte organisées. Le manque de normalisation et le coût des infrastructures ont compliqué plusieurs projets d’échange de batteries. Les batteries structurelles intégrées au châssis peuvent rendre plus difficile le remplacement d’un pack complet, sans condamner toutes les formes de remplacement d’anodes.

Certaines entreprises développent des disques remplaçables à la main. Cela pourrait réduire le besoin de stations complexes et permettre des distributeurs plus simples, sur le modèle de l’échange de bouteilles de gaz. Il reste nécessaire de collecter les matériaux usagés et de régénérer le métal en consommant de l’énergie.

Les batteries aluminium-air étaient déjà étudiées dans les années 1960. Outre les propriétés et la sécurité de l’électrolyte, la corrosion de l’anode, la production indésirable d’hydrogène et la lenteur de la réduction de l’oxygène limitent la technologie :

« La lenteur de la réaction de réduction de l’oxygène constitue un obstacle à l’application. D’autres difficultés comprennent la réaction du dioxyde de carbone avec l’électrolyte alcalin, qui forme des précipités de carbonate, l’évaporation de l’eau [dessèchement de l’électrolyte] et la pénétration de l’électrolyte dans les pores de la cathode à air. » – Source : Automotive Logistics

Entreprises de batteries aluminium‑air

1. Aluma Power

AlumaPower est une entreprise canadienne ayant des activités sur les terres de la Première Nation Aamjiwnaang, à Sarnia.

AlumaPower a annoncé un rendement estimé du cycle complet de 43 % et décrit un scénario à « 700 % », dans lequel l’aluminium sert d’abord dans des véhicules, bâtiments, avions, serres ou bateaux avant de devenir un combustible. Le second chiffre ne représente pas un rendement classique de conversion énergétique : réutiliser des matériaux ne crée pas d’énergie et régénérer l’aluminium nécessite de l’énergie.

Source: Aluma

AlumaPower utilise une anode rotative pour limiter notamment la corrosion et l’usure irrégulière. Des alliages convenablement préparés peuvent provenir, par exemple, de blocs-moteurs refondus ou de canettes. La conception est décrite dans le brevet américain US10978758B2.

Selon les données historiques de l’entreprise, le disque peut être remplacé en quelques minutes et fonctionner jusqu’à 130 heures, selon la charge et la conception.

Source: Aluma

L’entreprise estimait que son système réduirait les investissements de 70 % par rapport aux solutions retenues dans sa comparaison, ainsi que les coûts de main-d’œuvre d’un modèle de stockage proposé comme service. Il s’agit de ses propres estimations de l’époque.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique a son origine en France ; l’activité derrière MAL Research & Development est aujourd’hui basée au Royaume-Uni. L’entreprise décrit une formulation d’électrolyte propre destinée à réduire la corrosion de l’anode et le colmatage des pores.

Le site web de l’entreprise présentait, dans les informations examinées en 2023, surtout des liens de presse et un lancement prévu pour 2024. Auparavant, l’entreprise avait annoncé un lancement prévu au quatrième trimestre 2021. Les calendriers annoncés doivent être distingués des livraisons commerciales établies.

L’entreprise décrivait trois concepts de produits :

• Un prolongateur d’autonomie pour véhicules électriques apportant environ 300 miles, soit 480 kilomètres supplémentaires. L’entreprise disait en discuter avec deux grands constructeurs.
• Un système d’une autonomie annoncée de 1 500 miles, soit environ 2 400 kilomètres. Un contrat de plusieurs millions de livres avec Austin Electric pour une production britannique prévue a été rapporté, sans que ce contrat prouve à lui seul le démarrage d’une production en série.
• Des kits de conversion à 3 500 livres destinés, selon le projet annoncé, à transformer des voitures thermiques conventionnelles en hybrides.

MAL avançait historiquement un coût de fabrication de 36 dollars/kWh, contre environ 180 dollars/kWh pour la solution lithium-ion retenue dans sa comparaison. Amortissement de la batterie compris, les coûts annoncés étaient de 0,08 livre par mile contre 0,50 livre par mile. Ce sont les calculs de l’entreprise à l’époque.

D’autres applications proposées concernaient l’aviation, la défense et l’alimentation électrique d’îles isolées.

3. RiAlAiR

RiAlAiR développe des systèmes aluminium-air pour les bateaux et la pêche. Son modèle d’abonnement vise à réduire l’investissement initial des clients et à remplacer une partie des combustibles fossiles consommés.

Pour les utilisateurs professionnels, comme les pêcheurs et les exploitants de bateaux-taxis, la réduction des coûts d’exploitation peut constituer un argument important, en plus de la diminution des émissions locales.

Les bateaux électriques peuvent aussi compléter leur alimentation par des panneaux solaires ou des éoliennes, selon leur conception et leur usage.

Source: RiAlAiR

RiAlAiR compare des chaînes de traction électriques d’un rendement d’environ 92 % à des moteurs thermiques autour de 35 %. Cette comparaison porte sur la chaîne de traction, pas sur toute la chaîne énergétique de l’aluminium ni sur la conversion en poussée par l’hélice.

RiAlAiR estime la consommation annuelle des bateaux de pêche à environ 50 milliards de litres, surtout en Asie. Beaucoup sont décrits comme mesurant moins de 12 mètres et ayant une jauge brute inférieure à 20, une mesure de volume et non une masse de 20 tonnes. L’évaluation initiale du marché citait aussi 1,2 % de la consommation mondiale de carburant et quelque 15 millions de bateaux de plaisance comme marché potentiel.

Source: RiAlAiR

Des bateaux électriques existent déjà, mais la masse et la densité énergétique des batteries limitent certains usages. Les systèmes aluminium-air pourraient ouvrir d’autres possibilités lorsque le remplacement des anodes et la collecte sont économiquement viables.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy est une entreprise israélienne cotée à la Bourse de Tel Aviv depuis 2021. Elle développe des systèmes à base d’aluminium et de zinc pour l’alimentation de secours, la mobilité et les véhicules électriques ainsi que le stockage d’énergie. Elle étudie aussi les applications maritimes de systèmes en conteneurs.

En 2023, l’entreprise a annoncé un accord portant sur 300 systèmes de secours avec Indus Towers, en Inde. Cellnex avait déjà décrit en novembre 2022 un projet pilote utilisant la technologie de Phinergy. Phinergy faisait également état d’essais avec une grande entreprise de centres de données cloud.

Elle a présenté un prototype Tata Tiago équipé de la technologie en janvier 2023. L’Inde est un marché important. En juillet 2022, Phinergy, le partenariat IndianOil–Phinergy IOP et le producteur d’aluminium Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) ont signé un protocole d’accord sur les plaques d’aluminium, le développement de projets pilotes et le recyclage pour les systèmes aluminium-air.

5. Log9

L’entreprise indienne Log9 développe des cellules et des systèmes de gestion de batteries. Elle travaille aussi sur les ultracondensateurs au graphène et les piles à combustible à aluminium, AFC.

En 2020, il a été rapporté qu’une équipe d’environ 45 personnes travaillait sur la technologie aluminium-air au sein de l’entreprise. En 2021, elle a également décrit un prototype de livraison du dernier kilomètre avec une autonomie annoncée de 3 000 kilomètres par réapprovisionnement en métal, et non par recharge électrique conventionnelle.

Dans le panorama examiné en 2023, l’entreprise mettait surtout en avant les batteries lithium-ion à recharge rapide. La réalisation commerciale des objectifs aluminium-air antérieurs était moins claire, même si cette technologie faisait toujours partie de ses travaux de développement.

Conclusion

Les batteries aluminium-air, ou générateurs électrochimiques alimentés en aluminium, offrent une autre voie pour la mobilité électrique et le stockage. Le combustible métallique solide peut faciliter le transport et le ravitaillement en énergie. L’évaluation doit aussi intégrer production et régénération du métal, pertes et infrastructures de collecte.

En 2023, beaucoup d’applications étaient encore en développement ou en phase pilote. Les partenariats avec Tata, Indian Oil et Hindalco montrent un intérêt industriel, sans signifier une adoption commerciale généralisée.

La technologie nécessite des chaînes d’approvisionnement et des procédés différents de ceux des batteries rechargeables classiques. Les aides publiques dépendent des règles de chaque programme. L’Inde constitue un marché important pour développer et tester des technologies énergétiques nationales.