Les batteries lithium-ion sont inflammables et le prix de la matière première augmente. Existe-t-il des alternatives ? Oui :les chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zürich ont découvert des approches prometteuses quant à la manière dont nous pourrions produire des batteries à partir de déchets de graphite et de ferraille.

Kostiantyn Kravchyk travaille dans le groupe de Maksym Kovalenko. Ce groupe de recherche est basé à la fois à l'ETH Zurich et au Laboratoire des couches minces et du photovoltaïque de l'Empa. L'objectif ambitieux des deux chercheurs de l'agence Empa est de fabriquer une batterie à partir des éléments les plus courants de la croûte terrestre, comme le magnésium ou l'aluminium. Ces métaux offrent un haut degré de sécurité, même si l'anode est en métal pur. Cela offre également la possibilité d'assembler les batteries de manière très simple et peu coûteuse et de monter rapidement en gamme la production.

Pour faire fonctionner de telles batteries, l'électrolyte liquide doit être constitué d'ions spéciaux qui ne cristallisent pas à température ambiante, c'est-à-dire qu'ils forment une sorte de fonte. Les ions métalliques vont et viennent entre la cathode et l'anode dans cette "fonte froide", enfermé dans un épais manteau d'ions chlorure. Alternativement, anions organiques gros mais légers, qui sont sans métal, peut être utilisé. Cela vient avec un problème, cependant :où sont censés aller ces ions « épais » lorsque la batterie est chargée ? Quel pourrait être un matériau de cathode adapté ? A titre de comparaison :dans les batteries lithium-ion, la cathode est constituée d'un oxyde métallique, qui peut facilement absorber les petits cations lithium pendant la charge. Cela ne fonctionne pas pour des ions aussi gros, toutefois. En outre, ces gros anions ont une charge opposée aux cations lithium.

Résoudre le problème, L'équipe de Kovalenko avait un tour dans son sac :les chercheurs ont bouleversé le principe de la batterie lithium-ion. Dans les batteries Li-ion conventionnelles, l'anode (le pôle négatif) est en graphite, dont les couches (à l'état chargé) contiennent les ions lithium. Dans la batterie de Kovalenko, au contraire, le graphite est utilisé comme cathode (le pôle positif). Les anions épais sont déposés entre les couches de graphène. Dans la batterie de Kovalenko, l'anode est en métal.

Kravchyk a fait une découverte remarquable en recherchant le "bon" graphite :il a découvert que les déchets de graphite produits dans la production d'acier, appelé « graphite kish », fait un excellent matériau de cathode. Le graphite naturel fonctionne aussi bien - s'il est fourni en gros flocons et non broyé trop finement ou en plis, formes non floconneuses. La raison :les couches de graphite sont ouvertes sur les bords des paillettes et les anions épais peuvent ainsi se glisser plus facilement dans la structure. Le graphite finement broyé normalement utilisé dans les batteries lithium-ion, cependant, est mal adapté à la batterie de Kovalenko. En broyant les particules de graphite, les couches se froissent comme du papier froissé. Seuls de petits ions lithium sont capables de pénétrer ce graphite froissé, pas les anions épais de la nouvelle batterie.

La batterie à cathode de graphite construite à partir de la production d'acier "kish graphite" ou brut, les flocons de graphite naturel ont le potentiel de devenir très rentables. Et si les premières expériences sont quelque chose à faire, il est également de longue durée. Pour plusieurs mois, un système de laboratoire a survécu à des milliers de cycles de charge et de décharge. "La batterie chlorure d'aluminium-cathode graphite pourrait durer des décennies dans un usage domestique quotidien, " explique Kravchyk et ajoute " des manifestations similaires, mais encore augmenté les tensions de batterie, sans compromettre les capacités, et des éléments encore plus légers sont en route et offriront une nouvelle augmentation des densités d'énergie de 60 Wh kg-1 actuels à plus de 150 Wh kg-1"