Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Les batteries métal-air sont des sources d’énergie légères et compactes avec une densité d’énergie élevée, mais elles ont eu une limitation majeure : Elles se corrodent.
Un nouveau concept de l’Institut de technologie du Massachusetts utilise l’huile pour réduire la corrosion et prolonger la durée de vie des batteries métal-air à usage unique.
La clé : L’huile.
Pour empêcher la détérioration du métal, les chercheurs du MIT ont placé une barrière d’huile entre l’électrode d’aluminium et l’électrolyte – le fluide entre les deux électrodes de la batterie qui ronge l’aluminium lorsque la batterie est en veille.
L’huile est rapidement pompée et remplacée par l’électrolyte dès que la batterie est utilisée.
En conséquence, la perte d’énergie est réduite à seulement 0.Les résultats ont été publiés la semaine dernière dans la revue Science par Brandon J. Hopkins ’18, ancien étudiant diplômé du MIT, et par Yang Shao-Keck, professeur d’énergie à la chaire W.M. Keck. Keck d’énergie Yang Shao-Horn, et le professeur de génie mécanique Douglas P. Hart.
Comment fonctionne exactement une batterie métal-air ?
Une batterie métal-air utilise un certain type de métal (comme l’aluminium) pour l’anode, l’air comme cathode, ainsi qu’un électrolyte liquide.
Dans le cas de l’aluminium, l’oxygène de l’air se combine alors avec le métal pour créer de l’hydroxyde d’aluminium, ce qui active le processus d’électrolyse et crée un courant.
Parce que l’aluminium attire l’eau, l’électrolyte restant s’accroche souvent aux surfaces des électrodes en aluminium, même après que l’électrolyte ait été évacué de la cellule.
« Les batteries ont des structures complexes, il y a donc beaucoup de coins dans lesquels l’électrolyte peut être pris », a déclaré Hopkins .
Les nombreux coins entraînent de nombreuses possibilités de corrosion.
Hopkins et son équipe ont cependant placé une fine barrière de membrane entre les électrodes de la batterie ; les deux côtés de la membrane sont remplis d’un électrolyte liquide lorsque la batterie est utilisée.
Lorsque la batterie est mise en veille, de l’huile est pompée dans le côté le plus proche de l’électrode en aluminium, ce qui protège la surface de l’aluminium de l’électrolyte de l’autre côté de la membrane.
L’aluminium, lorsqu’il est immergé dans l’eau, repousse l’huile de la surface. Lorsque la batterie est réactivée et que l’électrolyte est pompé à nouveau dans la cellule, l’électrolyte déplace facilement l’huile de la surface d’aluminium, ce qui rétablit la puissance de la batterie.
Le résultat est un prototype aluminium-air avec une durée de vie beaucoup plus longue que celle des batteries aluminium-air conventionnelles. Lorsque la batterie a été utilisée à plusieurs reprises, puis mise en veille pendant un à deux jours, la conception du MIT a duré 24 jours, alors que la conception conventionnelle n’a duré que trois jours.
Même lorsque l’huile et un système de pompage sont inclus dans les blocs de batteries aluminium-air primaires à grande échelle, ils sont encore cinq fois plus légers et deux fois plus compacts que les blocs de batteries lithium-ion rechargeables pour les véhicules électriques, ont rapporté les chercheurs.
À l’heure actuelle, les batteries aluminium-air sont utilisées comme sources d’énergie de secours. Le professeur Hart s’est entretenu avec Tech Briefs pour expliquer pourquoi il pense que la nouvelle conception trouvera un jour sa place au-delà des applications de niche et dans les véhicules électriques.
Tech Briefs : Pourquoi les batteries métal-air sont-elles précieuses ?
Douglas Hart, professeur de génie mécanique : Ce sont des batteries à très haute densité énergétique. Elles sont considérées comme des batteries primaires, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas rechargeables. Dans ce cas, l’aluminium est consommé.
Et l’aluminium est extrêmement abondant, contrairement à beaucoup d’autres métaux qui sont fabriqués pour faire des batteries. L’aluminium est l’un des matériaux les plus abondants sur Terre, et il est distribué dans le monde entier, donc ce n’est pas quelque chose qu’un pays possède.
Briefs technologiques : Où les batteries métal-air sont-elles utilisées actuellement ?
L’un des problèmes des générateurs de secours est qu’ils mettent du temps à se mettre en route et qu’ils utilisent du diesel, qui peut se dégrader. Donc, de nombreux hôpitaux ont des batteries aluminium-air comme systèmes de secours ; lorsque le courant tombe, elles peuvent se remettre en marche très rapidement, au moins assez longtemps pour qu’un système d’alimentation secondaire se mette en marche.
Phinergy , une société en Israël, fabrique des batteries aluminium-air pour les prolongateurs d’autonomie des voitures. Il y a un plan pour qu’elles soient incluses, donc si vous manquez d’énergie électrique d’une batterie dans un véhicule électrique, la batterie aluminium-air devrait intervenir et vous faire parcourir les kilomètres supplémentaires pour vous amener à une station de recharge. Ils sont fondamentalement un système de batterie qui peut être remplacé, juste parce qu’ils ont tellement plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion.
Briefs technologiques : Quelles sont les limites d’une batterie métal-air ?
Prof. Hart : Une fois que vous les avez allumées, vous ne pouvez pas les éteindre. La seule façon d’arrêter la réaction est de drainer l’électrolyte hors du système. Et quand vous faites cela, à chaque fois, il y a un peu d’électrolyte qui reste sur la surface métallique de la batterie et la corrode. Au bout d’un certain temps, vous pouvez remettre l’électrolyte dans la batterie, mais elle ne redémarrera pas ; la batterie est corrodée et ce sous-produit la bouche à la surface. Certaines personnes ont trouvé que vous pouvez la rincer avec de l’eau, mais l’eau est contaminée par les électrolytes.
Briefing technologique : Pourquoi l’atténuation de l’effet de corrosion est-elle si importante ?
Prof. Hart : Vous aimeriez pouvoir utiliser ces batteries dans quelque chose comme une automobile ; vous voulez la garer dans votre allée, la laisser là pendant une semaine, revenir, et vous attendre à ce qu’elle démarre à nouveau. Ces batteries s’usent lentement, et vous perdez une grande partie de votre énergie. La densité énergétique devient alors inutile parce qu’elle se consomme elle-même.
Les gens ont cherché toutes sortes de moyens pour atténuer ce processus de corrosion. Ils ont cherché de meilleurs produits chimiques pour la surface de l’aluminium et des alliages. Nous avons découvert une approche très simple : Au lieu de le rincer avec de l’eau, nous déplaçons simplement l’électrolyte avec de l’huile.
Tech Briefs : Quelle a été la réaction à cette idée ?
Prof. Hart : La première réaction que tout le monde a eu a été : « Vous vous moquez de moi ? Le pétrole va tout boucher et tout détruire ». Il s’avère qu’en présence de l’électrolyte, l’aluminium préfère travailler avec l’électrolyte plutôt qu’avec l’huile. En fait, l’huile n’encrasse pas les choses. Elle déplace simplement l’électrolyte, interrompt la réaction (parce qu’elle est non conductrice), et dès que vous remettez l’électrolyte, tout redémarre. Mais encore mieux, nous pouvons le rincer avec la même huile encore et encore et ne jamais contaminer le système.
Cahier de la technique : Est-ce une caractéristique de conception facile à intégrer ?
Prof. Hart : La membrane est en fait une chose très facile à mettre en place. Elle peut en fait être construite sur la cathode elle-même avant d’être installée. C’est une modification très simple de la technologie des batteries existantes. Il s’agit d’une fine membrane qui protège la cathode, car la cathode est un matériau à forte surface de contact. La membrane assure une longévité à long terme au matériau de la cathode. Elle permet également d’utiliser des huiles qui ne sont pas aussi stables que d’autres huiles.
Briefing technologique : Dans quels types d’applications voyez-vous ce nouveau design être utilisé ?
Prof. Hart : Les prolongateurs d’autonomie pour les voitures en sont certainement une bonne. Une des raisons pour lesquelles les gens ont peur d’acheter des voitures électriques est qu’ils ont une peur bleue de manquer d’énergie. Et , cela serait surtout utilisé comme système de secours pour surmonter cette peur de ne pas en avoir assez pour se rendre au prochain système de recharge.
Briefing technologique : Seront-ils toujours utilisés comme sources d’énergie de secours ?
Prof. Hart : À l’heure actuelle, beaucoup de gens ont de petits générateurs dans leurs maisons, mais ceux-ci produisent du monoxyde de carbone, donc ils sont très dangereux à utiliser. Les batteries aluminium-air sont un dispositif beaucoup plus sûr à avoir dans votre sous-sol qu’un générateur de secours. Si le courant est coupé, vous pouvez l’allumer. Si le courant revient, vous pouvez l’éteindre. Et une batterie aluminium-air est certainement formidable pour l’utilisation dans les hôpitaux, et les systèmes d’alimentation de secours pour les serveurs de données.
Briefs technologiques : Les batteries métal-air sont-elles une option viable maintenant par rapport, par exemple, à la batterie lithium-ion ?
Prof. Hart : À l’heure actuelle, si vous vouliez faire notre système de transport et le convertir entièrement en véhicules électriques, les gens ont pointé du doigt les batteries lithium-ion ; certainement, Tesla utilise des batteries lithium-ion. Mais les batteries au lithium-ion nécessitent du lithium, qui est détenu par un sous-ensemble de pays dans le monde. Cela en fait une situation politiquement difficile.
Le pire, c’est qu’il n’y a tout simplement pas assez de cobalt pour fabriquer suffisamment de batteries pour toutes les voitures du monde. Ils doivent trouver une alternative au cobalt. Certains experts disent qu’ils pourront remplacer le cobalt par du nickel. Nous devons trouver un système de batterie alternatif pour rendre viables des choses comme les systèmes de stockage, parce que nous n’avons tout simplement pas assez de cobalt et de nickel.
L’aluminium est une excellente source d’énergie pour tout type de système de transport. Je pourrais le voir être utilisé dans les avions et d’autres endroits où des batteries standard pourraient être utilisées. Encore une fois, vous ne pouvez pas les recharger. Elles sont plus un carburant qu’un pur dispositif de stockage d’énergie.
Briefing technologique : Quelle est la prochaine étape pour votre équipe concernant cette recherche ?
Prof. Hart : J’espère qu’elle sera reprise par l’un des fabricants de batteries commerciales. Je pense qu’il a un grand potentiel, et j’aimerais le voir être utilisé. Nous avons montré à peu près tout ce dont nous avons besoin en termes de recherche dans le laboratoire, et je pense qu’il faut maintenant le mettre en œuvre dans un système réel et le prouver pour une application commerciale.
Briefing technologique : Qu’est-ce que les résultats ont montré ? Quelle est la performance de la batterie ?
Prof. Hart : Phénoménalement. Brandon a pu montrer que vous pouvez l’allumer et l’éteindre pendant toute la durée de vie de la batterie, et il n’y a presque aucune dégradation, contrairement aux systèmes précédents. Essentiellement, ce travail lui a donné la capacité de s’éteindre comme une batterie normale, de sorte qu’elle ne reste pas là et ne se corrode pas pendant qu’elle reste dans votre allée, si vous voulez.
Cela signifie que, pour quelque chose comme un hôpital, lorsque le courant est coupé, vous pouvez vraiment allumer cette chose, et si vous n’utilisez pas toute l’énergie qui est dans la batterie, vous pouvez éteindre la batterie et l’utiliser à nouveau la prochaine fois. Normalement, vous pouvez avoir une panne de courant qui dure quelques minutes, puis le courant revient. Vous avez épuisé cette batterie très coûteuse car, pendant qu’elle reste là, elle se corrode. Maintenant, vous pouvez l’allumer et l’éteindre à volonté.