Plus sûres, moins chères et plus puissantes ? La promesse des batteries à aluminium

Les batteries à haute capacité qui se rechargent plus rapidement et durent plus longtemps sont essentielles pour alimenter l’avenir de l’électronique portable, des véhicules électriques et du stockage d’énergie à long terme.

Au cours des dernières décennies, les batteries lithium-ion ont dominé ce domaine. Type de batterie rechargeable, les batteries lithium-ion se chargent et se déchargent grâce au déplacement de ces ions entre les électrodes positives et négatives, c’est‑à‑dire les anodes et les cathodes.

Le métal lithium utilisé dans ces batteries est doux, argenté et très réactif. Il possède la plus faible densité de tous les métaux et se trouve dans des composés sous forme de minéral, le Chili étant son principal producteur. Le Chili possède également les plus grandes réserves de lithium, suivi par l’Australie et la Chine ; cette dernière est également un leader des batteries lithium-ion.

Ces batteries nécessitent en réalité d’énormes quantités d’eau et d’énergie pour être produites. Elles sont également très difficiles à recycler.

Ainsi, bien que les batteries lithium-ion aient prouvé leurs performances dans les appareils électroniques portables tels que les smartphones, les ordinateurs portables et autres dispositifs mobiles, ainsi que dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage pour la sauvegarde d’énergie solaire, le marché recherche désormais des matériaux capables de surpasser le lithium-ion et d’alimenter la prochaine génération d’appareils, de véhicules à longue portée, d’avions électriques et de stockage au niveau du réseau.

Cela a conduit les chercheurs vers l’aluminium, qui montre des performances prometteuses pour des batteries plus sûres, moins chères et plus puissantes.

Le potentiel de l’aluminium dans l’avancement des batteries 

Les efforts pour développer des batteries rechargeables à l’aluminium existent depuis plusieurs décennies, mais ont gagné une traction significative au cours de la dernière décennie environ. L’attention accrue et la recherche ont permis aux batteries à ions d’aluminium d’atteindre des taux exceptionnels de charge et de décharge. 

Tous les développements autour des batteries à ions d’aluminium sont importants en raison des avantages supérieurs que ce métal électropositif apporte.

Les propriétés uniques de l’aluminium comprennent sa légèreté, sa résistance à la corrosion et sa haute conductivité thermique. 

Cette polyvalence a rendu ce métal très bénéfique dans un large éventail d’applications dans diverses industries, notamment le transport. Le métal est largement utilisé dans la fabrication d’automobiles, d’avions et de trains parce qu’il est léger et solide, ce qui contribue à améliorer l’efficacité énergétique et à réduire les émissions. 

Une autre application majeure de l’aluminium se trouve dans l’industrie de la construction car il est facile à travailler et a la capacité de résister à des conditions environnementales difficiles. L’aluminium est également largement utilisé dans l’emballage, l’aérospatiale, l’industrie chimique, militaire et électrique.

Sa faible densité et son bon conductivité électrique font de l’aluminium un matériau idéal pour la fabrication de conducteurs électriques, d’appareils tels que les ordinateurs, les smartphones et les téléviseurs, ainsi que pour l’utilisation dans les lignes électriques aériennes.

Plus important encore, l’aluminium est l’élément métallique le plus abondant dans la croûte terrestre. En tant que métal à faible coût, son utilisation dans les batteries rechargeables peut réduire considérablement le coût des batteries, notamment pour les systèmes de secours économiques à grande échelle destinés au stockage d’énergie renouvelable.

Les batteries lithium-ion restent trop coûteuses pour ces applications. En plus d’être onéreuses, ces batteries contiennent un électrolyte inflammable qui pose un problème de sécurité. Le métal le plus abondant sur Terre et le deuxième métal le plus abondant commercialement (après le fer) constitue ici une alternative appropriée.

En plus d’être bon marché, l’aluminium possède également une capacité volumétrique élevée, quatre fois supérieure à celle du lithium et sept fois supérieure à celle du sodium. Cela met en évidence le potentiel de l’aluminium à améliorer la densité énergétique des batteries par unité de volume.

De plus, l’aluminium est non inflammable, ce qui soutient davantage son adoption comme électrode. L’utilisation de ce métal élimine également la complexité d’une couche d’interphase qui est couramment observée dans les systèmes lithium-ion. 

Cela ne signifie pas que l’aluminium ne présente aucune faiblesse. La passivation, la corrosion et l’évolution d’hydrogène des systèmes de batteries à ions d’aluminium ont limité leur application. Un autre défi pour les batteries à ions d’aluminium est la sélection des matériaux d’anode en raison de la haute densité de charge des ions Al3+, ce qui entraîne une cinétique de diffusion lente, limitant ainsi la capacité de taux de la batterie. 

Malgré ces défis, les batteries à ions d’aluminium sont un candidat prometteur pour le stockage d’énergie à grande échelle en raison de leur haute capacité spécifique, de leur faible coût, de leur légèreté, de leur bonne sécurité et de l’abondance naturelle de l’aluminium.

Explorer la batterie à ions d’aluminium pour une utilisation réelle

L’exploration de l’aluminium dans les batteries se poursuit depuis un certain temps en raison du besoin de nouvelles chimies de batterie pour répondre à la demande d’énergie élevée, comme celle des avions devant parcourir de longues distances et du stockage d’énergie à l’échelle des services publics. Les batteries conventionnelles simplement ne contiennent pas assez d’énergie pour alimenter ces systèmes.

Il y a environ une décennie, des chercheurs de l’Université de Stanford ont révélé pour la première fois qu’une batterie à ions d’aluminium pouvait être stable et fonctionner pendant longtemps. Cette batterie à ions d’aluminium pouvait être entièrement chargée en une minute et parcourir jusqu’à 7500 cycles de charge/décharge avec peu de perte de capacité.

Une étude menée par des chercheurs de l’Université du Queensland, Australie, à la fin de l’année dernière, a relevé le défi technique avec un composant AIB¹ appelé l’interface solide-électrolyte.

Une batterie à ions d’aluminium, tout comme les batteries lithium-ion, possède une anode, une cathode et un électrolyte, qui transporte les ions d’aluminium circulant entre les électrodes chargées positivement et celles chargées négativement. 

Lors de la décharge, les ions se déplacent de l’anode vers la cathode pour générer de l’énergie, et lors de la charge de la batterie, le processus s’inverse pour stocker l’énergie. En ce qui concerne les batteries à ions d’aluminium, elles rencontrent des instabilités lors du cycle de charge et de décharge en raison de la formation de dendrites qui provoquent des courts-circuits, menant à la défaillance de la batterie.

La réponse, selon la recherche, est que les batteries à ions d’aluminium nécessitent un pré-cyclage, tout comme les batteries lithium-ion, afin de maximiser leur durée de vie. Comprendre ces besoins uniques de pré-cyclage peut conduire à de meilleures conceptions permettant à une batterie de durer plus longtemps et de fonctionner de manière plus fiable, les rapprochant ainsi des applications réelles.

Dans une autre recherche datant de quelques années, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont utilisé du papier d’aluminium pour créer des batteries pouvant permettre aux véhicules électriques de parcourir de plus longues distances avec une seule charge.

Dans cette étude, les chercheurs ont ajouté de petites quantités de plus de 100 matériaux différents à l’aluminium afin de créer des feuilles avec des « microstructures » spécifiques. L’anode en aluminium a pu stocker plus de lithium que les matériaux d’anode traditionnels, ce qui signifie plus d’énergie, menant à la création de batteries à haute densité énergétique.

Ces recherches sur les batteries à aluminium détiennent un potentiel immense pour ouvrir la voie à des technologies de batteries plus puissantes afin d’alimenter le futur.

Nouvelle conception pour prolonger la durée de vie des batteries à aluminium

Compte tenu des nombreux avantages des batteries à ions d’aluminium, récemment, une nouvelle étude publiée² dans ACS Central Science a entrepris la conception d’une batterie à ions d’aluminium rentable et respectueuse de l’environnement, pouvant soutenir la transition vers une énergie durable et propre.

Avec la poussée mondiale vers la durabilité, l’étude a souligné la nécessité d’explorer des ressources abondantes et renouvelables pour les avancées des technologies de batteries de stockage d’énergie afin de favoriser le développement durable.

Ainsi, les chercheurs se sont tournés vers les batteries rechargeables à ions d’aluminium (AIB) avec des électrolytes à base de liquide ionique chloroaluminate à température ambiante non inflammable. Leur large adaptabilité thermique, leur longue durée de cycle et leur sécurité exceptionnelle rendent les AIB très adaptées aux systèmes capables de stocker de l’énergie à grande échelle. 

Mais, bien sûr, les électrolytes à liquide ionique traditionnels dans les AIB souffrent de vulnérabilités notables. Avec leur nouveau cadre, les chercheurs visent à surmonter le problème de corrosion du principal électrolyte utilisé dans les batteries à ions d’aluminium. 

L’électrolyte — chlorure d’aluminium liquide — ne corrode pas seulement l’anode en aluminium mais aggrave cette condition en raison de sa forte sensibilité à l’humidité. Cela contribue à une mauvaise stabilité, entraînant une diminution des performances électriques au fil du temps. 

Pour éliminer cette limitation, les chercheurs ont introduit un sel de fluorure d’aluminium inerte dans l’électrolyte contenant un ion Al, le transformant en électrolyte à l’état solide. La structure poreuse 3D du sel de fluorure d’aluminium permet aux ions d’aluminium de sauter facilement à travers l’électrolyte et d’augmenter la conductivité. 

Les chercheurs ont également utilisé du carbonate de fluoroéthylène comme additif d’interface. Un revêtement solide mince de ce composé sur les électrodes a aidé à prévenir la formation de cristaux d’aluminium et, à son tour, à protéger la santé de la batterie contre la détérioration.

Avec ces deux composants, l’équipe a pu améliorer la résistance à l’humidité de leur batterie ainsi que sa stabilité thermique et physique. Cela a permis à la batterie à ions d’aluminium à l’état solide de résister à des températures allant jusqu’à 392 degrés Fahrenheit (ou 200 degrés Celsius). Elle a également résisté aux coups répétés d’un objet tranchant.

En ce qui concerne la durée de vie de cette batterie, l’étude a constaté qu’elle était exceptionnellement longue. La batterie à ions d’aluminium à l’état solide a duré jusqu’à 10 000 cycles de charge et de décharge tout en subissant une perte de moins d’un pour cent de sa capacité initiale. 

De plus, la plupart du fluorure d’aluminium utilisé peut être récupéré avec un simple lavage. L’AlF3 peut ensuite être recyclé dans une autre batterie avec une performance légèrement diminuée, réduisant davantage les coûts de production de la batterie.

“Cette nouvelle conception de batterie à ions d’aluminium montre le potentiel d’un système de stockage d’énergie durable, rentable et très sûr. La capacité de récupérer et de recycler les matériaux clés rend la technologie plus durable.”

– Wei Wang, Laboratoire d’État de Métallurgie Avancée, Université des Sciences et Technologies de Pékin, Chine

La nouvelle batterie augmente la praticité des batteries à ions d’aluminium en réduisant leur coût de fabrication et en prolongeant leur durée de vie, mais d’autres améliorations sont encore nécessaires en densité énergétique, stabilité de l’électrolyte et cycle de vie pour la commercialisation de cette batterie.

Cliquez ici pour en savoir plus sur une étude qui a démystifié les mythes sur le vieillissement des batteries.

Principaux acteurs du marché des batteries

L’émergence de technologies de batteries de prochaine génération prometteuses offre des améliorations significatives en termes de densité énergétique, de sécurité, de coût et de durée de vie par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Elles sont censées transformer les besoins énergétiques, stimulées par des innovations qui répondent aux limites des technologies actuelles. 

Alors, examinons maintenant les entreprises qui repoussent les limites de la technologie des batteries et qui pourraient connaître une forte croissance dans les années à venir.

1. QuantumScape

Alors que le monde explore des alternatives, les batteries à base de lithium restent pour l’instant en tête. Dans ce contexte, QuantumScape Corporation (QS ) fait partie des principales entreprises de batteries qui développent la technologie de batterie lithium-métal à l’état solide pour les véhicules électriques et d’autres applications. 

Avec les batteries lithium-ion traditionnelles approchant de leurs limites, l’entreprise a développé ce qu’elle appelle le premier design de cellule sans anode de l’industrie afin d’offrir une haute densité énergétique, des coûts matériels réduits et une production simplifiée. 

Contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles qui ont un séparateur polymère, QuantumScape utilise un séparateur à l’état solide. Cela permet le remplacement de l’anode en carbone ou en silicium par une anode en lithium-métal, qui est plus dense en énergie et stocke ainsi une plus grande quantité d’énergie dans le même volume. Dans le design de QuantumScape, la batterie est fabriquée sans anode et dans un état déchargé.

Selon QuantumScape, sa cellule prototype A0 à 24 couches a accompli plus de 1 000 équivalents de cycles complets de charge-décharge avec plus de 95 % de rétention d’énergie. En octobre, l’entreprise a dévoilé son premier produit commercial prévu, le QSE-5, pour les applications automobiles. La cellule B-sample QSE-5, dont la production à faible volume a commencé, a une énergie mesurée de 21,6 Watt-heures (Wh). Les cellules QSE-5 peuvent se charger de 10 % à 80 % en environ 12 minutes.

Avec une capitalisation boursière de 2,62 milliards, les actions de QuantumScape se négocient actuellement à 5,13 $, en baisse de 1,16 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -0,95, et le ratio P/E (TTM) est de -5,38.

Pour les résultats financiers du dernier trimestre déclaré, c’est-à-dire le T3 2024, l’entreprise a dépensé 17,9 millions de dollars en dépenses d’investissement tandis que ses dépenses d’exploitation GAAP s’élevaient à 130,2 millions de dollars et la perte nette GAAP à 119,7 millions de dollars. La liquidité à la fin du trimestre était de 841 millions de dollars.

QuantumScape s’est également associé au fabricant de batteries de Volkswagen, PowerCo, pour amener sa technologie QSE-5 à la production de masse.

Pendant cette période, l’entreprise a annoncé la mise en œuvre réussie de sa nouvelle technologie de production de séparateur appelée le Raptor. Puis, en décembre, l’entreprise a annoncé la sortie de Cobra, que QuantumScape indique mettre l’entreprise sur la voie de la livraison d’échantillons à plus grand volume du QSE-5 cette année. Cobra est également considéré comme une étape majeure vers la commercialisation de ses batteries à l’état solide pour les véhicules électriques.

2. Solid Power

Fondée en 2011, Solid Power (SLDP ) a été créée de l’Université du Colorado Boulder avec un financement de la DARPA. Au fil des ans, elle a obtenu des contrats de l’Armée de l’Air et signé un accord avec le Département de l’Énergie.

En 2018, l’entreprise a réalisé son premier tour de financement basé sur des actions, et en 2021, elle a annoncé un tour d’investissement de 135 millions de dollars mené par le groupe BMW, Ford Motor Company (F ) et Volta Energy Technologies. 

Depuis, Ford et le groupe BMW ont élargi leurs accords de développement conjoint existants avec Solid Power afin de sécuriser toutes les batteries à l’état solide pour leurs futurs véhicules électriques. L’année précédente, Solid Power avait produit des cellules en métal lithium de 320 Wh/kg 20 Ah qu’elle a déclarées surpasser l’énergie spécifique des batteries lithium-ion commercialement disponibles.

L’entreprise participe au développement de la technologie de batterie tout à fait solide de prochaine génération, qu’elle affirme avoir le potentiel de révolutionner les futurs marchés de l’énergie mobile. Son attention se porte particulièrement sur les électrolytes solides à base de sulfure pour les véhicules électriques, avec un objectif de coût de 85 $/kWh. L’objectif est d’augmenter la production d’électrolyte afin d’alimenter annuellement 800 000 véhicules électriques avec ses cellules de batterie d’ici 2028.

Avec une capitalisation boursière de 268,77 millions, les actions de Solid Power se négocient actuellement à 1,50 $, en baisse de 21,16 % depuis le début de l’année. L’entreprise n’a commencé à être cotée au Nasdaq qu’à la fin décembre 2021. Son BPA (TTM) est de -0,47, et le ratio P/E (TTM) est de -3,14.

Pour ses résultats les plus récents rapportés les résultats financiers du T3 2024, Solid Power a réalisé un chiffre d’affaires de 4,7 millions de dollars, soit une diminution de 1,7 million de dollars par rapport au même trimestre de l’année précédente. Cette baisse de revenu est principalement due à l’achèvement de ses jalons avec BMW. Ses dépenses d’exploitation pour la période ont augmenté en raison des coûts de production accrus, du coût de développement des cellules et de l’électrolyte, de l’extension des opérations et des exécutions. Sa position de liquidité, cependant, est restée solide, SolidPower terminant le trimestre avec 348,1 millions de dollars de liquidités totales.

Pendant cette période, l’entreprise a commencé à travailler dans son centre d’innovation en électrolyte (EIC) afin d’améliorer les processus de fabrication de son électrolyte pré-pilote.

Récemment, Solid Power a annoncé avoir obtenu jusqu’à 50 millions de dollars de financement du Département de l’Énergie des États‑Unis pour la production continue de matériaux d’électrolyte solide à base de sulfure. Dans le cadre d’un accord d’assistance, Solid Power contribuera à hauteur de 60 millions de dollars de ses propres fonds pour soutenir l’installation d’équipements, ce qui est prévu de renforcer l’échelle de production de l’entreprise.

Conclusion 

Les batteries lithium-ion continuent de dominer de nombreux appareils électroniques grand public, véhicules électriques et systèmes de stockage d’énergie (ESS). Leur adoption croissante est due à leur haute densité énergétique et à leurs systèmes de production industrielle matures, mais si nous voulons intégrer des sources d’énergie abondantes et renouvelables au réseau électrique, nous devons trouver de meilleures solutions.

Le stockage à long terme de l’énergie solaire et éolienne nécessite de grandes batteries, mais les batteries Li-ion sont trop coûteuses pour cette tâche. Sans compter que leur inflammabilité représente un risque de sécurité considérable. Un substitut potentiel pour des systèmes de stockage d’énergie fiables à grande échelle est les batteries rechargeables à ions d’aluminium, qui offrent une alternative prometteuse grâce à leur coût inférieur, leur sécurité améliorée et leur haute capacité volumétrique. 

Avec les progrès de la stabilité de l’électrolyte et de la durée de vie des batteries, les batteries à ions d’aluminium pourraient jouer un rôle clé dans le stockage d’énergie à grande échelle, les véhicules électriques et au-delà. Bien que des défis subsistent quant à leur viabilité commerciale, la recherche en cours rapproche ces batteries des applications réelles et peuvent bientôt répondre aux besoins sociétaux futurs en matière de haute densité énergétique et de batteries abordables.

Cliquez ici pour une liste des meilleures actions de batteries à investir.