Alors que le monde construit des installations de systèmes d'énergie éolienne et solaire de plus en plus grandes, le besoin de systèmes de secours économiques à grande échelle pour fournir de l'énergie lorsque le soleil est couché et que l'air est calme augmente rapidement. Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui sont encore trop chères pour la plupart de ces applications, et d'autres options telles que l'hydroélectricité par pompage nécessitent une topographie spécifique qui n'est pas toujours disponible.

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont développé un nouveau type de batterie, entièrement fabriqué à partir de matériaux abondants et peu coûteux, qui pourrait aider à combler cette lacune.

La nouvelle architecture de batterie, qui utilise l'aluminium et le soufre comme matériaux d'électrodes, avec un électrolyte de sel fondu entre les deux, est décrite dans la revue Nature , dans un article rédigé par le professeur du MIT Donald Sadoway, avec 15 autres personnes au MIT et en Chine, au Canada, au Kentucky et au Tennessee.

"Je voulais inventer quelque chose qui était mieux, bien mieux, que les batteries lithium-ion pour le stockage stationnaire à petite échelle, et finalement pour l'automobile [utilisations]", explique Sadoway, professeur émérite John F. Elliott de chimie des matériaux.

En plus d'être coûteuses, les batteries lithium-ion contiennent un électrolyte inflammable, ce qui les rend loin d'être idéales pour le transport. Ainsi, Sadoway a commencé à étudier le tableau périodique, à la recherche de métaux bon marché et abondants sur Terre qui pourraient remplacer le lithium. Le métal commercialement dominant, le fer, n'a pas les bonnes propriétés électrochimiques pour une batterie efficace, dit-il. Mais le deuxième métal le plus abondant sur le marché - et en fait le métal le plus abondant sur Terre - est l'aluminium. "Alors, j'ai dit, eh bien, faisons-en un serre-livres. Ce sera de l'aluminium", dit-il.

Ensuite, il a fallu décider avec quoi associer l'aluminium pour l'autre électrode, et quel type d'électrolyte mettre entre les deux pour transporter les ions d'avant en arrière pendant la charge et la décharge. Le moins cher de tous les non-métaux est le soufre, qui est donc devenu le deuxième matériau d'électrode. Quant à l'électrolyte, "nous n'allions pas utiliser les liquides organiques volatils et inflammables" qui ont parfois provoqué des incendies dangereux dans les voitures et d'autres applications des batteries lithium-ion, explique Sadoway. Ils ont essayé certains polymères, mais ont fini par examiner une variété de sels fondus qui ont des points de fusion relativement bas, proches du point d'ébullition de l'eau, par opposition à près de 1 000 degrés Fahrenheit pour de nombreux sels. "Une fois que vous vous rapprochez de la température corporelle, il devient pratique" de fabriquer des batteries qui ne nécessitent pas de mesures spéciales d'isolation et d'anticorrosion, dit-il.

Les trois ingrédients avec lesquels ils se sont retrouvés sont bon marché et facilement disponibles :l'aluminium, pas différent du papier d'aluminium du supermarché; le soufre, qui est souvent un déchet de procédés tels que le raffinage du pétrole ; et des sels largement disponibles. "Les ingrédients sont bon marché et la chose est sans danger :elle ne peut pas brûler", déclare Sadoway.

Dans leurs expériences, l'équipe a montré que les cellules de la batterie pouvaient supporter des centaines de cycles à des taux de charge exceptionnellement élevés, avec un coût projeté par cellule d'environ un sixième de celui des cellules lithium-ion comparables. Ils ont montré que le taux de charge dépendait fortement de la température de travail, avec 110 degrés Celsius (230 degrés Fahrenheit) montrant des taux 25 fois plus rapides que 25 C (77 F).

Étonnamment, le sel fondu que l'équipe a choisi comme électrolyte simplement en raison de son faible point de fusion s'est avéré avoir un avantage fortuit. L'un des plus gros problèmes de fiabilité des batteries est la formation de dendrites, qui sont des pointes de métal étroites qui s'accumulent sur une électrode et finissent par se développer pour entrer en contact avec l'autre électrode, provoquant un court-circuit et entravant l'efficacité. Mais ce sel particulier, il se trouve, est très efficace pour prévenir ce dysfonctionnement.

Le sel de chloro-aluminate qu'ils ont choisi "a essentiellement retiré ces dendrites en fuite, tout en permettant une charge très rapide", explique Sadoway. "Nous avons fait des expériences à des taux de charge très élevés, en chargeant en moins d'une minute, et nous n'avons jamais perdu de cellules à cause d'un court-circuit de dendrite."

"C'est drôle", dit-il, parce que tout l'accent était mis sur la recherche d'un sel avec le point de fusion le plus bas, mais les chloro-aluminates caténés avec lesquels ils se sont retrouvés se sont avérés résistants au problème de court-circuit. "Si nous avions commencé par essayer d'empêcher le court-circuit dendritique, je ne suis pas sûr que j'aurais su comment poursuivre cela", déclare Sadoway. "Je suppose que c'était un heureux hasard pour nous."

De plus, la batterie ne nécessite aucune source de chaleur externe pour maintenir sa température de fonctionnement. La chaleur est naturellement produite électrochimiquement par la charge et la décharge de la batterie. "Lorsque vous chargez, vous générez de la chaleur, ce qui empêche le sel de geler. Et puis, lorsque vous déchargez, il génère également de la chaleur", explique Sadoway. Dans une installation typique utilisée pour le nivellement de charge dans une installation de production d'énergie solaire, par exemple, "vous stockeriez de l'électricité lorsque le soleil brille, puis vous tireriez de l'électricité après la tombée de la nuit, et vous le feriez tous les jours. Et que charge-idle-discharge-idle est suffisant pour générer suffisamment de chaleur pour maintenir la chose à température."

Cette nouvelle formulation de batterie, dit-il, serait idéale pour les installations de la taille nécessaire pour alimenter une seule maison ou une petite ou moyenne entreprise, produisant de l'ordre de quelques dizaines de kilowattheures de capacité de stockage.

Pour les installations plus importantes, jusqu'à une échelle d'utilité de dizaines à centaines de mégawattheures, d'autres technologies pourraient être plus efficaces, y compris les batteries à métal liquide que Sadoway et ses étudiants ont développées il y a plusieurs années et qui ont formé la base d'une société dérivée appelée Ambri, qui espère livrer ses premiers produits l'année prochaine. Pour cette invention, Sadoway a récemment reçu le prix de l'inventeur européen de cette année.

La plus petite taille des batteries aluminium-soufre les rendrait également pratiques pour des utilisations telles que les stations de recharge de véhicules électriques, explique Sadoway. Il souligne que lorsque les véhicules électriques deviennent suffisamment courants sur les routes pour que plusieurs voitures veuillent se recharger en même temps, comme c'est le cas aujourd'hui avec les pompes à essence, "si vous essayez de faire cela avec des batteries et que vous voulez une recharge rapide, les ampérages sont juste si élevé que nous n'avons pas cette quantité d'ampérage dans la ligne qui alimente l'installation." Donc, avoir un système de batterie comme celui-ci pour stocker l'énergie et la libérer rapidement en cas de besoin pourrait éliminer le besoin d'installer de nouvelles lignes électriques coûteuses pour desservir ces chargeurs.

La nouvelle technologie est déjà à la base d'une nouvelle société dérivée appelée Avanti, qui a autorisé les brevets du système, co-fondée par Sadoway et Luis Ortiz '96 ScD '00, qui était également co-fondateur d'Ambri. "Le premier ordre du jour pour l'entreprise est de démontrer qu'elle fonctionne à grande échelle", déclare Sadoway, puis de la soumettre à une série de tests de résistance, notamment en parcourant des centaines de cycles de charge.

Une batterie à base de soufre risquerait-elle de dégager les odeurs nauséabondes associées à certaines formes de soufre ? Pas une chance, dit Sadoway. "L'odeur d'œuf pourri est dans le gaz, le sulfure d'hydrogène. C'est du soufre élémentaire, et il va être enfermé à l'intérieur des cellules." Si vous deviez essayer d'ouvrir une cellule lithium-ion dans votre cuisine, dit-il (et s'il vous plaît, n'essayez pas cela à la maison !), "l'humidité de l'air réagirait et vous commenceriez à générer toutes sortes de gaz aussi. Ce sont des questions légitimes, mais la batterie est scellée, ce n'est pas un récipient ouvert. Je ne serais donc pas concerné par cela."

L'équipe de recherche comprenait des membres de l'Université de Pékin, de l'Université du Yunnan et de l'Université de technologie de Wuhan, en Chine; l'Université de Louisville, dans le Kentucky; l'Université de Waterloo, au Canada; Laboratoire national d'Oak Ridge, dans le Tennessee; et MIT. + Explorer plus loin

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