Nouveaux matériaux pour des batteries durables à bas prix

La transition énergétique nécessite des technologies permettant de stocker temporairement et à moindre co?t l'électricité produite à partir de sources d'énergie renouvelables. Les batteries en aluminium constituent une nouvelle possibilité prometteuse. Elles se composent de matières premières bon marché et disponibles en grandes quantités (voir encadré).

Des scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Empa, autour de Maksym Kovalenko, professeur de matériaux fonctionnels inorganiques, participent également à la recherche et au développement de telles batteries. Ces chercheurs ont maintenant trouvé deux nouveaux matériaux qui pourraient faire avancer de manière décisive le développement des batteries en aluminium. Il s'agit d'une part d'un matériau résistant à la corrosion pour les parties conductrices de la batterie, et d'autre part d'un nouveau matériau pour son p?le positif, qui peut être adapté à de multiples exigences techniques.

Un liquide électrolytique agressif

Comme le liquide électrolytique des batteries en aluminium est extrêmement agressif et attaque par exemple l'acier inoxydable (ainsi que l'or et le platine), les scientifiques sont à la recherche de matériaux résistants à la corrosion pour les parties conductrices de ces batteries. Le professeur Kovalenko de l'ETH et ses collègues ont trouvé ce qu'ils cherchaient dans le nitrure de titane, un matériau céramique à la conductivité suffisamment élevée. "Ce composé est constitué de titane et d'azote, des éléments très courants, et il est facile à fabriquer", explique Kovalenko.

Les scientifiques ont réussi à fabriquer en laboratoire des batteries en aluminium avec des parties conductrices en nitrure de titane. Il est également possible de fabriquer des films minces à partir de ce matériau et il convient au revêtement d'autres matériaux. Selon Kovalenko, il serait donc également envisageable de fabriquer les conducteurs à partir d'un métal classique et de les revêtir de nitrure de titane, voire d'imprimer des pistes conductrices en nitrure de titane sur du plastique. "Les applications possibles du nitrure de titane ne se limitent pas aux batteries en aluminium. Le matériau pourrait également être utilisé dans d'autres types de batteries, par exemple celles à base de magnésium ou de sodium, ou dans les batteries lithium-ion à haute tension", explique Kovalenko.

Alternative au graphite

Les chercheurs ont utilisé le deuxième nouveau matériau pour l'électrode positive (p?le positif) des piles en aluminium. Alors que l'électrode négative (p?le négatif) de ces batteries est en aluminium, l'électrode positive est généralement en graphite. Kovalenko et ses collaborateurs ont maintenant trouvé un nouveau matériau qui permet de stocker autant d'énergie dans une batterie qu'avec le graphite. Il s'agit du polypyrène, un hydrocarbure dont la structure moléculaire est en forme de cha?ne. Les expériences ont montré que les échantillons de matériaux dans lesquels les cha?nes de molécules se trouvaient dans le désordre étaient idéaux. "Il reste beaucoup de place entre les cha?nes moléculaires. Les ions relativement grands du liquide électrolytique peuvent donc bien pénétrer dans le matériau de l'électrode et le charger", explique Kovalenko.

Parmi les avantages des électrodes contenant du polypyrène, il y a le fait que les scientifiques peuvent influencer leurs propriétés, par exemple leur porosité. Cela offre la possibilité d'adapter le matériau de manière optimale à chaque application. "Le graphite utilisé jusqu'à présent est en revanche un minéral. Il ne peut pas être modifié par des techniques d'ingénierie", explique Kovalenko.

Le nitrure de titane et le polypyrène sont tous deux des matériaux souples et conviennent donc, selon les chercheurs, à une utilisation dans des cellules dites "pouch" (batteries entourées d'un film flexible).