Comprendre les limites des batteries aluminium pour mieux les dépasser

En théorie, les batteries aluminium sont moins chères et plus puissantes que les batteries classiques au lithium, un métal de plus en plus rare. Dans les faits cependant, leurs performances restent inférieures. Des chercheurs du PHENIX (CNRS/Sorbonne Université), de l'IMMM (CNRS/Université du Mans), du CEMHTI (CNRS), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Bath (Royaume-Uni), de l'Université technique de Berlin (Allemagne) et du laboratoire national d'Argonne (États-Unis) ont découvert la raison de cet écart de performance. Selon ces travaux publiés dans la revue Angewandte Chemie, les ions aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) perturbent le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) cristallin des électrodes, empêchant ainsi d'autres ions aluminium de s'y insérer.


Grâce à leur capacité à stocker de grandes quantités d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sur des volumes et des poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle...) réduits, les batteries lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) se sont imposées dans la majorité des appareils électroniques sans fil, comme nos smartphones et nos ordinateurs portables. Le lithium est cependant un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi...) très rare et s'emploie avec des électrodes en cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de masse atomique 59.) ou en nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) dont l'approvisionnement est encore plus critique. Une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il...) qui devrait s'accentuer avec la démocratisation des véhicules électriques et de leurs batteries volumineuses.

Parmi les alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) les plus prometteuses, les batteries aluminium ont le net avantage d'être composées du métal le plus abondant sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...). L'ion aluminium (Al³⁺) libère de plus trois électrons contre un seul pour l'ion lithium (Li⁺), ce qui fait que, à quantités égales, l'aluminium relâche trois fois plus d'énergie. Malgré cela, les batteries aluminium sont dans la pratique bien moins performantes, sans que la cause soit bien comprise.

Des chercheurs du laboratoire Physico-chimie des électrolytes et nano-systèmes interfaciaux (PHENIX, CNRS/Sorbonne Université), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des molécules et des matériaux du Mans (IMMM, CNRS/Université du Mans), du laboratoire Conditions extrêmes et matériaux: haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) et irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha, bêta,...) (CEMHTI, CNRS), de l'Université de Bath (Royaume-Uni), de l'Université technique de Berlin (Allemagne) et du laboratoire national d'Argonne (États-Unis) ont découvert que, lorsqu'un ion aluminium pénètre dans une électrode, il empêche une partie des autres ions de faire de même. Cela explique enfin pourquoi les performances sont moins bonnes qu'en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) et cette nouvelle recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) permet d'envisager des pistes de réflexion pour pallier ce problème.

Les auteurs de l'étude ont découvert ce phénomène en testant une électrode en oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde...) de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) pour des batteries aluminium. Si le candidat en oxyde de titane n'a pas été aussi efficace qu'escompté, les tests ont été l'occasion de mener des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) par résonnance magnétique nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (RMN), une technique de spectroscopie qui s'est révélée très puissante pour sonder l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...) des ions aluminium. Les chercheurs ont ainsi constaté que lorsque Al³⁺ s'intercale dans l'électrode, il interagit fortement avec elle et distord localement le réseau cristallin. Ainsi, certains sites où d'autres ions Al³⁺ auraient pu s'installer à leur tour sont en quelque sorte bouchés. Comme moins d'ions peuvent réagir avec l'électrode, les performances sont bien plus faibles qu'attendu. Mieux comprendre la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) d'intercalation de ces ions devrait permettre de proposer des matériaux plus performants, et d'envisager des dispositifs commerciaux.

Références:
Christophe Legein, Benjamin J. Morgan, Franck Fayon, Toshinari Koketsu, Jiwei Ma, Monique Body, Vincent Sarou-Kanian, Xian-Kui Wei, Marc Heggen, Olaf J. Borkiewicz, Peter Strasser et Damien Dambournet. Atomic Insights into Aluminium-Ion Insertion in Defective Anatase for Batteries. Angewandte Chemie, 10/07/2020.
DOI: 10.1002/anie.202007983