Batterie aluminium-graphène : charge 5 secondes, -40°C à 120°C, 250 000 cycles

• Des ingénieurs ont créé une nouvelle batterie fonctionnant dans une plage de température de -40 °C à 120 °C, rechargeable en 5 secondes.
• Elle conserve 91 % de sa capacité après 250 000 cycles charge-décharge.
• La batterie est extrêmement flexible, supportant 10 000 pliages.

Des ingénieurs de l'université de Zhejiang, en Chine, ont développé une batterie aluminium-graphène ultra-rapide, tout-temps et à très longue durée de vie, offrant des performances supérieures, notamment en termes de temps de charge. Une fois la production commerciale lancée, la batterie pourrait être entièrement chargée en 5 secondes pour une autonomie de deux heures.

Les chercheurs en matériaux et en ingénierie à l'origine de cette batterie affirment qu'elle est plus résistante au froid, moins inflammable et fonctionne dans une plage de température de -40 °C à 120 °C. Toutefois, quelques experts du secteur restent sceptiques face à ces affirmations.

L'électrode négative de la batterie est en aluminium et l'électrode positive en graphène. Elle est capable de conserver 91 % de sa capacité après un quart de million de cycles charge-décharge, bien mieux que les batteries lithium actuelles. Elle est conçue pour les dispositifs énergétiques toutes saisons et présente une flexibilité remarquable, supportant 10 000 pliages.

Si elle est intégrée aux smartphones, elle pourrait se charger en 5 secondes et durer jusqu'à deux heures. De plus, la batterie durerait jusqu'à 70 ans sans perte de capacité, même si le téléphone est rechargé 10 fois par jour.

Conception et performances

Pour construire le matériau cathodique de la batterie aluminium-ion, ils ont choisi le graphite, le graphène, le soufre et le sulfure métallique. Le carbone graphitique offre des caractéristiques telles que la charge rapide et le cyclage stable. Pour une telle cathode à base de carbone, les ingénieurs ont pris en compte 4 exigences :

1. Réseau de graphène hautement cristallisé.
2. Matrice conductrice d'électrons continue pour le transport de forts courants et l'atténuation de la polarisation interne.
3. Haute résistance mécanique et module de Young élevé pour éviter l'effondrement du matériau.
4. Canaux interconnectés, favorisant une haute perméabilité à l'électrolyte et une diffusion ionique rapide.

Pour satisfaire ces exigences, ils ont fabriqué un film de graphène idéal par filage humide ou par enduction d'une solution cristalline liquide d'oxyde de graphène (GO) en film de GO, suivi d'une réduction chimique pour former un film de GO réduit (rGO) et d'un recuit à haute température.

Un feuillet de graphène parfaitement aligné conduit à une conductivité électrique et des propriétés mécaniques supérieures à celles des mousses de graphène composées de feuillets non orientés. Le film rGO est ensuite recuit à 2850 °C pour restaurer les défauts atomiques, le transformant en un film de graphène argenté long et continu.

La performance d'une batterie dépend principalement de la vitesse à laquelle les électrons et les ions circulent entre les électrodes négative et positive. Le matériau d'électrode doit permettre au plus grand nombre d'électrons et d'ions de circuler librement. Si la voie est surchargée, la performance en pâtit. C'est pourquoi il faut veiller à la qualité, l'orientation et la porosité des microstructures, ainsi qu'aux réseaux conducteurs, canaux de transport ionique et canaux ioniques dans la macrostructure.

Référence : Sciencemag | DOI : 10.1126/sciadv.aao7233 | Université de Zhejiang

Ce principe de conception permet à la batterie aluminium-graphène de faire un grand pas en avant et de fournir des performances étonnantes. Auparavant, la capacité des batteries aluminium stagnait autour de 60 mAh/g, avec moins de quelques milliers de cycles charge-décharge.

Batterie allumant la LED ZJU-120 | Crédit image : Université de Zhejiang

Après tests, l'électrode positive en graphène affiche une capacité de 120 mAh/g, et après 25 millions de cycles charge-décharge, elle conserve encore 91 % de sa capacité. Parallèlement, la charge rapide peut être complète en 1,1 seconde, maintenant une capacité réversible de 111 mAh/g.

Certains experts ne sont pas convaincus par les résultats

Selon un expert du secteur, Zheng Jiatu, directeur adjoint de la China Electric Vehicle Charging Technology, les résultats publiés par l'équipe ne semblent pas prometteurs. « Les chiffres doivent être lus avec prudence », car même tester un quart de million de cycles prendrait un temps très long. Ces résultats proviennent plus probablement d'expériences sur un modèle de données simulé que de tests sur prototype.

De plus, la commercialisation nécessiterait plusieurs éléments qui ne sont pas clairs. Parmi les facteurs clés : le rapport coût-performance, la densité énergétique du type de batterie, la sécurité, la fiabilité et un modèle économique mature. Il existe de nombreuses autres technologies éprouvées et prêtes qui n'ont pas encore été commercialisées.

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Cependant, l'équipe de recherche a déclaré qu'elle avait encore un long chemin à parcourir avec de nombreux obstacles à surmonter. Elle estime que cette batterie « super » est bien meilleure que les batteries lithium-ion, mais qu'il reste encore beaucoup à améliorer. En outre, l'électrolyte ionique liquide conventionnel est assez cher ; si l'on trouve des électrolytes moins chers, les opportunités commerciales pour les batteries aluminium-ion seraient plus vastes.