Des anodes en aluminium révolutionnent les batteries lithium-ion grâce à l'institut Fraunhofer

Une percée technologique allemande pour les batteries du futur

L'institut Fraunhofer pour l'ingénierie de fabrication et l'automatisation (IPA), en collaboration avec l'Institut de photovoltaïque de l'université de Stuttgart, vient de franchir une étape majeure dans le développement des batteries lithium-ion. Les chercheurs allemands ont mis au point et breveté une technologie innovante d'électrode qui stabilise les anodes en aluminium, un matériau prometteur mais jusqu'alors difficile à exploiter.

« Nous rendons utilisable une technologie de batterie connue depuis longtemps mais difficile à contrôler dans la pratique », explique Kai Peter Birke, directeur scientifique pour les systèmes de batteries et d'hydrogène chez Fraunhofer IPA.

L'aluminium : un matériau aux propriétés exceptionnelles

L'aluminium présente des caractéristiques particulièrement intéressantes pour l'industrie des batteries. Relativement peu coûteux et largement disponible, il offre des capacités élevées qui surpassent potentiellement le graphite traditionnel. Mais un obstacle majeur a longtemps freiné son adoption : les contraintes mécaniques qu'il subit lors des cycles de charge et décharge.

Ces changements de volume répétés provoquaient l'apparition de fissures et de pores dans l'électrode, conduisant finalement à sa pulvérisation. Le résultat était sans appel : perte de capacité et durée de vie limitée des batteries.

Une solution brevetée pour stabiliser le matériau

La technologie développée par Fraunhofer s'attaque directement à ces processus de vieillissement. L'approche stabilise les matériaux pendant le fonctionnement et maintient le contact électrique au sein de l'électrode sur de nombreux cycles. Cette avancée ouvre la voie à une utilisation pratique de l'aluminium dans les batteries commerciales.

Des avantages multiples pour l'industrie européenne

Cette innovation élimine complètement le graphite et le silicium de l'anode, ce qui représente un atout stratégique majeur pour l'Europe. Le graphite est considéré comme une matière première critique pour l'industrie européenne des batteries, et cette technologie pourrait réduire significativement la dépendance du continent.

L'architecture de l'électrode diffère également des modèles conventionnels. Le matériau de départ est une feuille d'aluminium allié disponible dans le commerce, qui sert simultanément de matériau actif et de collecteur de courant. Cette conception supprime le besoin de la feuille de cuivre habituellement utilisée dans les anodes traditionnelles.

Une fabrication simplifiée et économique

Les avantages ne s'arrêtent pas là. Le processus de revêtement séparé, normalement utilisé pour appliquer le matériau actif sur le collecteur de courant, est également éliminé. Cette simplification devrait entraîner une réduction substantielle des coûts de fabrication et de la consommation énergétique lors de la production des électrodes.

Les chercheurs évoquent l'oxyde de manganèse et de lithium (LMO) comme cathode possible. En combinaison avec l'anode en aluminium, une densité énergétique compétitive pourrait être atteinte. De plus, la chimie des cellules serait sans phosphate, représentant ainsi une alternative économique aux cellules lithium-fer-phosphate.

Sécurité renforcée et respect de l'environnement

L'anode en aluminium peut également être combinée avec des solvants électrolytiques à point d'éclair élevé. Associée à une cathode LMO sans fluor, Fraunhofer précise qu'une structure cellulaire totalement exempte de fluor et donc de PFAS serait même envisageable.

Cette caractéristique éliminerait le risque de formation de fluorure d'hydrogène en cas d'incendie de batterie, un aspect crucial pour la sécurité des utilisateurs et des intervenants en cas d'accident.

Des applications initiales ciblées

Fraunhofer identifie les premières applications dans des domaines où la sécurité, la robustesse et l'espace d'installation compact sont particulièrement importants :

• Applications de fret aérien
• Systèmes de suivi pour conteneurs de transport
• Dispositifs médicaux spécialisés

Une industrialisation facilitée

Pour une utilisation industrielle ultérieure, il est particulièrement pertinent que cette chimie de cellule puisse être produite sur les installations de fabrication existantes. Selon l'institut, une reconstruction complète de l'infrastructure de production ne serait donc pas nécessaire, facilitant grandement l'adoption de cette technologie par les industriels.

Plusieurs prototypes ont déjà été construits et sont actuellement testés au Centre de production numérisée de cellules de batterie de Fraunhofer IPA. L'institut n'a toutefois pas encore fourni de détails sur les nombres de cycles spécifiques ou la densité énergétique gravimétrique ou volumétrique dans son annonce actuelle.

D'autres innovations en développement

Parallèlement à ce projet, Fraunhofer travaille sur d'autres approches pour améliorer les cellules de batterie au niveau des matériaux et de l'architecture. En septembre dernier, le Fraunhofer ISE a présenté une architecture cellulaire dotée d'électrodes nettement plus épaisses. En réduisant la proportion de collecteurs de courant, la densité énergétique pourrait être augmentée de dix à quinze pour cent, selon le type de batterie et sa conception.

Cette approche en est encore au stade de la recherche et doit d'abord prouver son évolutivité industrielle, mais elle témoigne de la diversité des pistes explorées pour améliorer les performances des batteries de prochaine génération.