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

Pensée latérale pour résoudre les limites des VE

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.

Les deux premiers problèmes, l’autonomie et la vitesse de charge, sont ceux que l’industrie tente de résoudre avec de nouvelles chimies de batteries, ainsi qu’avec un réseau de stations de charge plus rapide et plus dense. Mais cela reste un défi de taille. Nous avons détaillé toutes les voies potentielles pour de nouvelles batteries dans notre article “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

Les problèmes du réseau sont aggravés par l’intermittence de la production d’énergie renouvelable. Un afflux de VE en charge le soir, lorsque les gens sont rentrés du travail et des déplacements, n’est pas le bienvenu alors que l’énergie solaire est déjà absente.

Mais un nouveau concept pourrait résoudre tous ces problèmes à la fois. Et si, au lieu de choisir entre le moteur à combustion interne (ICE) & le carburant fossile liquide ou le VE & les batteries, nous pouvions « recharger » les VE avec un carburant entièrement recyclable ?

Le potentiel énergétique de l’aluminium

L’aluminium est un élément très répandu sur Terre. En fait, c’est le métal le plus commun sur Terre, devant le fer, et il représente 8 % de la croûte terrestre. C’est également un métal qui nécessite beaucoup d’électricité pour sa production, depuis le minerai de bauxite brut jusqu’à l’alumine puis le métal d’aluminium. Cela a conduit à ce que l’aluminium soit parfois appelé « électricité gelée ».

Sous son apparence ordinaire et paisible, l’aluminium peut être un métal très réactif dans les bonnes circonstances et a été utilisé dans les feux d’artifice ; la poudre d’aluminium alimentait même les propulseurs à propergol solide de la navette spatiale. En fait, l’aluminium est 2,5 fois plus dense énergétiquement que le diesel ou l’essence. Voici les batteries aluminium‑air.

Les batteries aluminium‑air stockent et produisent de l’électricité grâce à l’oxydation et à la réduction de l’aluminium. Elles font réagir le métal d’aluminium avec l’air et offrent l’une des plus hautes densités énergétiques de toutes les technologies de batteries actuellement disponibles. Elles peuvent être huit fois plus légères & quatre fois plus petites que le lithium‑ion.

Les batteries aluminium‑air ne doivent pas être confondues avec les batteries aluminium‑ion, qui sont similaires aux lithium‑ion, n’utilisant qu’un métal différent.

Source: Energy Post

Avantages des batteries aluminium‑air

Comme la cathode n’est que de l’oxygène provenant de l’air ambiant, il n’est pas nécessaire d’avoir une cathode métallique, ce qui rend la batterie beaucoup plus légère que ses concurrentes.

Un autre avantage est qu’il s’agit essentiellement d’un « moteur électrique » consommant de l’aluminium au lieu du pétrole et ne perd pas de tension lors de la décharge comme le font les systèmes de batteries.

La limitation est que cela consomme de l’aluminium et ne peut pas être rechargé simplement en branchant la batterie. Ainsi, il est plus similaire, dans ses principes, à une pile AA commune qu’à une batterie lithium‑ion. Par conséquent, il nécessite un système d’échange de batterie, prenant environ 90 secondes, au lieu d’un ravitaillement en carburant liquide ou d’une recharge électrique de 10‑15 minutes.

Une alternative peut également consister à combiner des batteries aluminium‑air avec des batteries rechargeables, permettant une utilisation flexible entre recharge directe ou propulsion alimentée par l’aluminium selon les besoins, similaire à un véhicule hybride, mais sans aucun carburant fossile.

Avantages de l’infrastructure

Un élément fort en faveur des batteries aluminium‑air est l’existence d’une industrie de recyclage de l’aluminium déjà bien établie, efficace et à grande échelle—quelque chose qui manque cruellement aux batteries lithium‑ion.

Cela signifie également que, pour l’approvisionnement en matière première, l’industrie des batteries aluminium‑air pourrait obtenir son matériau à partir d’aluminium de récupération provenant d’anciens bâtiments, machines ou avions, tout en générant de l’énergie simultanément. Globalement, le système ne nécessite aucune ressource critique/polluante/coûteuse comme le lithium, le nickel, le cobalt ou les minéraux des terres rares.

Comme mentionné ci‑dessus, l’échange de batterie signifie également qu’il n’y a aucune pression sur le réseau électrique pour que la recharge soit effectuée instantanément lorsque les VE arrivent à la station de recharge/ carburant. Au lieu de cela, la régénération de l’aluminium et la recharge des batteries peuvent être réalisées avec de l’énergie renouvelable lorsqu’elle est produite en surplus.

Enfin, non seulement le métal d’aluminium peut être régénéré avec de l’énergie verte quand cela est pratique, mais il peut également être stocké facilement à moindre coût, car il s’agit d’un métal solide stable et non toxique qui ne s’oxyde pas beaucoup. Ainsi, l’énergie peut être stockée sous forme de réserves d’aluminium pendant de longues périodes, à un coût de stockage bien inférieur à celui des batteries, de l’ammoniac ou de l’hydrogène.

Le transport en vrac de l’aluminium ne nécessite pas d’infrastructure spécifique comme c’est le cas pour l’hydrogène et peut être effectué par des camions ou des trains ordinaires.

Aluminium Cost- Source: RiAlAiR

Inconvénients des batteries aluminium‑air

Une limitation des batteries aluminium‑air est la nécessité d’un réseau dense de stations d’échange de batteries. En raison du manque de normalisation des VE et des coûts de construction d’un réseau suffisamment dense, l’échange de batteries a souvent été une idée échouée. Cela est encore moins susceptible de réussir pour les concepts de batteries traditionnels, car l’industrie des VE se dirige vers les « batteries structurelles » intégrées dans le châssis du véhicule.

Certaines entreprises (voir ci‑dessous) travaillent sur l’échange de batteries pour les batteries aluminium‑air afin qu’il puisse être réalisé à la main, réduisant considérablement la complexité technologique et le besoin d’une station d’échange de batteries coûteuse, avec des automatismes de livraison plus simples, comme pour les bouteilles de propane, suffisants pour accomplir la tâche. Dans tous les cas, une infrastructure de collecte et de reconstruction/recharge des batteries usagées devra être mise en place.

Dans l’ensemble, le concept n’est pas nouveau et a été envisagé pour la première fois dans les années 1960. À l’époque, la toxicité de l’électrolyte bloquait les progrès de cette technologie. D’autres problèmes techniques peuvent également être importants, principalement liés à la cathode à air:

« L’efficacité lente de la réaction de réduction de l’oxygène constitue le principal obstacle à son application. D’autres problèmes incluent la réaction du CO₂ avec l’électrolyte alcalin produisant des précipités carbonatés, l’évaporation de l’eau à l’air libre [sécheresse 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

Aluma Power est une entreprise canadienne située sur les terres de la Première Nation Aamjiwnaang.

Aluma Power envisage une efficacité de cycle complet de 43 % et une efficacité de 700 % lorsque l’aluminium est d’abord utilisé pour d’autres applications comme la construction du châssis de voitures, bâtiments, avions, serres, bateaux, etc., avant d’être recyclé en carburant.

Source: Aluma

L’approche unique d’Aluma Power consiste à se concentrer sur une méthode mécanique pour atténuer les limitations des batteries aluminium‑air, telles que la corrosion et l’usure de l’anode, en faisant tourner l’anode. Cette conception peut utiliser n’importe quel aluminium de récupération, y compris des blocs moteurs fondus ou des canettes de soda. Elle est documentée dans le brevet américain US10978758B2.

Le disque de carburant peut être changé en quelques minutes et dure jusqu’à 130 heures de consommation.

Source: Aluma

L’entreprise affirme que son système de disque permet de réduire de 70 % les coûts d’investissement par rapport aux acteurs existants et de diminuer les coûts de main‑d’œuvre pour le « stockage en tant que service ».

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique en France et sa filiale au Royaume‑Uni, MAL, développent des batteries aluminium‑air. La propriété intellectuelle clé de l’entreprise est une chimie d’électrolyte propriétaire qui prétend réduire les problèmes de corrosion de l’anode et de blocage des pores.

Le site web de l’entreprise est un peu épuré, contenant principalement quelques liens d’articles de presse et l’annonce d’une sortie de produit prévue en 2024. Cela pourrait être légèrement inquiétant, compte tenu d’une annonce précédente pour un lancement au T4 2021.

L’entreprise semble se concentrer sur 3 concepts de produits différents:

• Un prolongateur d’autonomie de 300 miles pour les VE, en discussion avec 2 très grands constructeurs automobiles.
• Une batterie VE d’une autonomie de 1 500 miles. MAL a signé un accord de plusieurs millions de livres avec Austin Electric pour la production en masse de ces batteries au Royaume‑Uni.
• Kit de conversion à 3 500 £ transformant les voitures à carburant ordinaire en hybrides.

MAL affirme que la fabrication de sa batterie ne coûte que 36 $/kWh contre environ 180 $/kWh pour les batteries lithium‑ion. En incluant l’amortissement de la batterie, le coût de conduite serait de 0,08 £/mile, contre 0,50 £/mile pour le lithium‑ion.

La technologie pourrait également être appliquée aux avions, aux batteries de défense et à l’alimentation isolée sur les îles.

3. RiAlAiR

L’entreprise se concentre sur la production de batteries aluminium‑air pour le secteur des bateaux et de la pêche. Elle propose un service d’abonnement pour ses batteries, réduisant les coûts initiaux et aidant à diminuer la pollution ainsi que les coûts élevés de carburant.

Le ciblage des utilisateurs professionnels de bateaux tels que les bateaux de pêche et les bateaux‑taxis signifie que l’argument économique d’un carburant moins cher est très convaincant, et le cas d’affaires n’a pas besoin de s’appuyer sur des arguments d’énergie verte, mais simplement sur une rentabilité accrue.

Le passage du carburant fossile à un bateau à propulsion électrique ouvre également la possibilité de compléter l’alimentation énergétique avec des panneaux solaires ou des éoliennes directement sur le bateau, augmentant encore davantage l’économie de carburant et l’autonomie du bateau.

Source: RiAlAiR

Enfin, une chaîne de traction électrique est plus efficace pour la propulsion des bateaux, avec 92 % de l’énergie convertie en poussée, contre seulement 35 % pour les bateaux à carburant (la différence provient des pertes thermiques et mécaniques des moteurs à combustion interne).

Actuellement, des millions de bateaux de pêche consomment 50 milliards de litres de carburant par an, représentant 1,2 % de la consommation mondiale de carburant, la plupart ayant un tonnage inférieur à 20 tonnes et moins de 12 mètres de longueur, principalement situés en Asie. Il existe également 15 millions de bateaux de plaisance qui pourraient être convertis à une propulsion électrique plus verte.

Source: RiAlAiR

Bien que la propulsion électrique ait été un échec pour la propulsion des bateaux, la limitation a toujours été la densité énergétique des batteries. C’est un problème que les conceptions modernes de batteries aluminium‑air pourraient résoudre, créant potentiellement un marché de niche mais rentable pour ces batteries.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy est la seule entreprise impliquée dans la technologie aluminium‑air que nous ayons trouvée et qui soit également cotée en bourse. L’entreprise israélienne développe à la fois des batteries à base d’aluminium et de zinc. Elle cible le marché des solutions de secours énergétique, de la mobilité/VE et du stockage d’énergie. Elle examine également le potentiel de l’énergie marine, avec des batteries conteneurisées.

L’entreprise a récemment signé un accord pour fournir 300 systèmes de secours énergétique à la société de télécommunications indienne Indus Power, ainsi qu’un test réussi avec Cellnex, une autre société de télécommunications. Elle teste également son système avec une grande entreprise de centres de données cloud.

Elle a également présenté un prototype de véhicule de transport Tata électrique en janvier 2023. L’Inde est au cœur de la stratégie d’exportation de l’entreprise, ayant signé un accord pour créer un écosystème avec Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), l’un des plus grands producteurs d’aluminium en Inde.

5. Log9

Cette entreprise indienne est le premier fabricant national de cellules de batterie lithium‑ion, qui produit également son propre système de gestion de batterie. L’entreprise fabrique des batteries, des ultra‑condensateurs en graphène et des piles à combustible à aluminium (AFC).

Il a été rapporté en 2020 que l’entreprise disposait d’une équipe de 45 personnes travaillant sur les batteries aluminium‑air. Elle a également évoqué un prototype de véhicule de livraison du dernier kilomètre capable de parcourir 3 000 km avec une seule « charge » en 2021.

Plus récemment, l’entreprise semble s’être principalement concentrée sur les batteries lithium‑ion à charge rapide, il n’est donc pas clair si ses objectifs concernant les batteries aluminium‑air sont atteints, mais la technologie reste mise en avant sur la page d’accueil de son site web.

Conclusion

Les batteries aluminium‑air, ou peut‑être les piles à combustible à aluminium seraient un terme plus approprié, constituent une alternative très intéressante à l’approche conventionnelle de la technologie des VE et des batteries. En fournissant un combustible solide métallique, elles pourraient contourner la plupart des obstacles à l’adoption des VE, ainsi que résoudre le problème de la gestion de l’intermittence des énergies renouvelables en le « stockant » sous forme d’aluminium solide recyclé.

Pour l’instant, la technologie est encore à ses débuts, aucune des plus grandes entreprises ou sociétés de batteries ne semble y travailler. Cela est en partie dû au fait que le concept s’écarte radicalement de la sagesse conventionnelle de l’industrie des VE et nécessiterait un ensemble de compétences et de processus de fabrication totalement différents.

C’est également parce que la technologie a du mal à s’inscrire dans les politiques vertes et les subventions, ne correspondant ni aux exigences de la technologie des piles à combustible à hydrogène ni aux politiques des batteries rechargeables/VE. Elle semble être la plus accueillie en Inde, le pays étant désireux de rattraper la Chine en matière de technologie des batteries et d’énergie verte.