Batteries aluminium-ion : une piste sérieuse pour compléter le lithium, mais encore au laboratoire

L’aluminium peut devenir un complément crédible au lithium dans les batteries, surtout pour le stockage stationnaire, mais pas avant d’avoir résolu plusieurs problèmes : usure des cathodes, tensions faibles et électrolytes délicats. Pour l’instant, la technologie aluminium-ion reste au stade de la recherche et du développement.

Ce métal a pour lui son abondance, des minerais présents dans de nombreuses régions du monde et une filière de recyclage déjà bien rodée. Autant d’atouts qui intéressent les chercheurs, à un moment où le lithium-ion dépend de matières premières et de chaînes d’approvisionnement concentrées dans quelques pays.

Pourquoi chercher une alternative au lithium ?

Le lithium-ion domine le marché grâce à des performances éprouvées. Sa faiblesse est ailleurs : ses matières premières sont concentrées dans un petit nombre de pays, ce qui rend toute la filière vulnérable. La recherche explore donc d’autres chimies, non pour détrôner le lithium, mais pour prendre le relais sur certains usages.

Le sodium-ion a ouvert la voie et entre déjà dans sa phase commerciale. Les chimies dites multivalentes viennent ensuite, et l’aluminium y occupe une place à part.

Trois électrons au lieu d’un

Là où un ion lithium ou sodium transporte un électron, un ion aluminium peut en théorie en transporter trois. D’où une capacité volumique théorique près de quatre fois supérieure à celle du lithium métallique. En revanche, rapportée à la masse, la capacité de l’aluminium est un peu plus faible.

Comment fonctionne une batterie aluminium-ion

Dans la plupart des prototypes rechargeables, l’anode est en aluminium métallique. À la décharge, ce métal s’oxyde : des ions Al³⁺ partent vers la cathode pendant que les électrons alimentent le circuit extérieur. À la recharge, le mouvement s’inverse.

Les obstacles qui freinent l’industrialisation

Des cathodes qui s’usent vite

Le principe est simple, sa mise en œuvre beaucoup moins. Portant une charge triple, l’ion Al³⁺ interagit fortement avec le matériau de la cathode. Résultat : celle-ci se dégrade plus vite et la batterie vieillit prématurément.

Une tension et une densité d’énergie limitées

Selon les configurations, la tension de fonctionnement reste modeste, ce qui plafonne l’énergie stockée. Les systèmes à base d’ions AlCl₄⁻ et de cathode en graphite approchent 2 volts et offrent une forte puissance spécifique, jusqu’à 3 000 W/kg. Mais leur densité d’énergie ne dépasse guère 40 Wh/kg, soit le niveau d’une batterie au plomb.

Le casse-tête de l’électrolyte

Deux familles s’affrontent. Les électrolytes à base d’eau sont faciles à manipuler, mais ils peuvent dégager de l’hydrogène. Les électrolytes non aqueux règlent ce problème, mais ils sont souvent corrosifs, ce qui complique la fabrication des cellules à grande échelle.

Qui travaille sur l’aluminium ?

Outre-Manche, la Faraday Institution finance, avec son programme UltraStore, des travaux sur les nouvelles chimies de stockage. Plusieurs entreprises testent aussi des variantes à base d’aluminium, parfois associé au graphène.

Le britannique Eqonic vise un coût de fabrication de 50 livres par kWh une fois la production lancée à grande échelle, un objectif qui reste à prouver en usine. L’entreprise a confirmé que sa chimie repose sur l’aluminium, sans lithium ni sodium (Electric & Hybrid Vehicle Technology International). En Australie, Graphene Manufacturing Group développe de son côté une batterie aluminium-graphène.

Le stockage stationnaire, premier marché visé

Une batterie posée au sol, à côté d’une centrale ou d’un bâtiment, peut se permettre d’être plus lourde et plus volumineuse qu’une batterie embarquée dans un véhicule. C’est pourquoi le stationnaire apparaît comme le terrain d’essai le plus logique pour l’aluminium-ion. Pour un particulier qui s’interroge aujourd’hui sur le stockage de sa production solaire, le lithium reste toutefois la seule option mûre.

L’aluminium ne remplacera sans doute pas le lithium partout. Il pourrait s’ajouter à une palette de chimies qui cohabiteront selon les besoins. Le vrai enjeu n’est pas de trouver un successeur unique, mais de multiplier les solutions pour sécuriser les approvisionnements et adapter chaque batterie à son usage.

Questions fréquentes

Les batteries aluminium-ion sont-elles déjà en vente ?

Non. Les batteries aluminium-ion restent essentiellement au stade de la recherche et du développement. Plusieurs entreprises, au Royaume-Uni et en Australie notamment, travaillent sur des prototypes, mais aucune production industrielle n’est encore validée.

Quel est le principal avantage de l’aluminium dans une batterie ?

L’aluminium est abondant, présent dans de nombreuses régions du monde et déjà très bien recyclé. Chaque ion peut en théorie échanger trois électrons, ce qui lui donne une capacité volumique théorique très élevée, d’environ 8 046 mAh/cm³.

Pourquoi l’aluminium-ion n’est-il pas encore compétitif ?

Les ions Al³⁺ abîment les cathodes et réduisent la durée de vie, la tension reste faible dans plusieurs configurations et les électrolytes sont soit sujets à un dégagement d’hydrogène, soit corrosifs. Certains prototypes plafonnent autour de 40 Wh/kg, comme une batterie au plomb.

Faut-il attendre l’aluminium pour équiper une installation solaire d’une batterie ?

Non. Ces batteries ne sont pas encore industrialisées. Pour savoir si un stockage est intéressant avec les technologies actuelles, le plus simple est de partir de sa production estimée, par exemple avec le simulateur de panneaux solaires.