Un nouveau matériau conducteur et un nouveau matériau d'électrode pourraient ouvrir la voie à des batteries bon marché et donc au stockage à grande échelle d'énergies renouvelables.

La transition énergétique repose sur des technologies qui permettent le stockage temporaire et peu coûteux d'électricité d'origine renouvelable. Un nouveau candidat prometteur sont les batteries en aluminium, qui sont fabriqués à partir de matières premières bon marché et abondantes.

Des scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Empa, dirigé par Maksym Kovalenko, Professeur de Matériaux Inorganiques Fonctionnels, font partie des personnes impliquées dans la recherche et le développement de batteries de ce type. Les chercheurs ont maintenant identifié deux nouveaux matériaux qui pourraient apporter des avancées clés dans le développement de batteries en aluminium. Le premier est un matériau résistant à la corrosion pour les parties conductrices de la batterie; le second est un nouveau matériau pour le pôle positif de la batterie qui peut être adapté à un large éventail d'exigences techniques.

Comme le fluide électrolytique des batteries en aluminium corrode l'acier inoxydable, or et platine, les scientifiques recherchent des matériaux résistants à la corrosion pour les parties conductrices de ces batteries. Nitrure de titane, un matériau céramique qui présente une conductivité suffisamment élevée, est un tel conducteur. "Ce composé est composé des éléments très abondants titane et azote, et c'est facile à fabriquer, " explique Kovalenko.

Les scientifiques ont réussi à fabriquer en laboratoire des batteries en aluminium avec des pièces conductrices en nitrure de titane. Le matériau peut être facilement réalisé sous forme de films minces, également comme revêtement sur d'autres matériaux tels que des feuilles polymères. Kovalenko pense qu'il serait également possible de fabriquer les conducteurs à partir d'un métal conventionnel et de les enrober de nitrure de titane, ou encore pour imprimer des pistes conductrices de nitrure de titane sur du plastique. « Les applications potentielles 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, dans ceux à base de magnésium ou de sodium, ou dans des batteries lithium-ion haute tension, " dit Kovalenko.

Le deuxième nouveau matériau peut être utilisé pour l'électrode positive (pôle) des batteries en aluminium. Alors que l'électrode négative de ces batteries est en aluminium, l'électrode positive est généralement en graphite. Maintenant, Kovalenko et son équipe ont trouvé un nouveau matériau qui rivalise avec le graphite en termes de quantité d'énergie qu'une batterie est capable de stocker. Le matériau en question est le polypyrène, un hydrocarbure avec une structure moléculaire de type chaîne (polymère). Dans les expériences, des échantillons du matériau - en particulier ceux dans lesquels les chaînes moléculaires se rassemblent de manière désordonnée - se sont avérés idéaux. "Il reste beaucoup d'espace entre les chaînes moléculaires. Cela permet aux ions relativement gros du fluide électrolytique de pénétrer et de charger facilement le matériau de l'électrode, " explique Kovalenko.

L'un des avantages des électrodes contenant du polypyrène est que les scientifiques sont capables d'influencer leurs propriétés, comme la porosité. Le matériau peut donc être parfaitement adapté à l'application spécifique. "En revanche, le graphite utilisé actuellement est un minéral. Du point de vue du génie chimique, il ne peut pas être modifié, " dit Kovalenko.

Le nitrure de titane et le polypyrène étant tous deux des matériaux flexibles, les chercheurs pensent qu'ils sont adaptés à une utilisation dans des "cellules de poche" (piles enfermées dans un film souple).

Des batteries pour la transition énergétique

Une quantité croissante d'électricité est produite à partir de l'énergie solaire et éolienne. Cependant, car l'électricité est nécessaire même lorsque le soleil ne brille pas et que le vent ne souffle pas, de nouvelles technologies seront nécessaires, tels que les nouveaux types de batteries, pour stocker cette électricité de manière rentable. Bien que les batteries lithium-ion existantes soient idéales pour l'électromobilité en raison de leur faible poids, ils sont également assez chers et donc inadaptés à une exploitation économique à grande échelle, stockage d'énergie stationnaire.

Par ailleurs, le lithium est un métal relativement rare et difficile à extraire, contrairement à l'aluminium, magnésium ou sodium. Les batteries basées sur l'un de ces trois derniers éléments sont donc considérées comme une option prometteuse pour le stockage d'énergie stationnaire à l'avenir. Cependant, ces batteries sont encore au stade de la recherche et ne sont pas encore entrées dans l'utilisation industrielle.