Les batteries rechargeables à base d'aluminium allient faibles coûts de production, faible inflammabilité, ainsi que des propriétés d'oxydoréduction à trois électrons permettant une capacité élevée. L'inertie de l'aluminium et sa facilité de manipulation dans un environnement ambiant devraient offrir des améliorations de sécurité significatives pour ce type de batterie.

Conception des batteries aluminium ion

Comme toutes les autres batteries, la structure de base des batteries à ions aluminium comprend deux électrodes reliées par un électrolyte, un matériau conducteur ionique servant de support pour l'écoulement des porteurs de charge. Contrairement aux batteries lithium-ion, où l'ion mobile est Li+, l'aluminium forme un complexe avec le chlore dans la plupart des électrolytes et génère un support de charge anionique mobile.

La quantité d'énergie ou de puissance qu'une batterie peut libérer dépend de facteurs tels que la tension, la capacité et la composition chimique de la batterie. Une batterie peut maximiser ses niveaux de production d'énergie en augmentant la différence de potentiel chimique entre les deux électrodes, en réduisant la masse des réactifs ou en empêchant que l'électrolyte soit modifié par les réactions chimiques.

Le prototype du laboratoire Oak Ridge

Vers 2010, le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) a développé et breveté un dispositif à haute densité d'énergie, produisant 1060 Wh/kg contre 406 Wh/kg pour les batteries lithium-ion. Les chercheurs ont utilisé un électrolyte ionique, au lieu d'un électrolyte aqueux typique qui peut produire de l'hydrogène gazeux pendant le fonctionnement et corroder l'anode en aluminium. L'électrolyte était constitué de chlorure de 3-éthyl-1-méthylimidazolium et de trichlorure d'aluminium. L'ORNL a conçu une cathode composée d'oxyde de manganèse, un composé qui réduit davantage la corrosion.

Université de Stanford

En avril 2015, des chercheurs de l'université de Stanford ont affirmé avoir développé une batterie aluminium-ion avec un temps de recharge d'environ une minute. Ils ont affirmé que leur batterie n'avait aucune possibilité de prendre feu, offrant une vidéo d'un trou foré dans la batterie pendant qu'elle produisait de l'électricité. Chaque cellule fournissait environ 2 volts. Le prototype a enduré plus de 7 500 cycles de charge-décharge sans perte de capacité. La batterie à charge ultra-rapide était constituée d'une anode en aluminium, d'un électrolyte liquide, d'une mousse isolante et d'une cathode en graphite.

Comparaison avec les batteries lithium-ion

Les batteries aluminium-ion sont conceptuellement semblables aux batteries de lithium-ion, mais possèdent une anode d'aluminium au lieu d'une anode de lithium. Alors que la tension théorique des batteries ion-aluminium est inférieure à celle des batteries lithium-ion, respectivement 2,65 V et 4 V, le potentiel théorique de densité d'énergie des batteries aluminium-ion est 5 fois plus élevé que celle des batteries Li-On, soit respectivement 1060 Wh/kg contre 406 Wh/kg.

Les batteries lithium-ion actuelles sont très stables, mais le lithium est rare, cher et toxique. Il peut également développer des dendrites, qui peuvent court-circuiter une batterie et provoquer un incendie. L'aluminium a l'avantage de transférer l'énergie plus efficacement. L'aluminium est également plus abondant que le lithium, ce qui réduit les coûts de production.

Les batteries en aluminium-ion ont cependant une durée de vie relativement courte. Lorsque les batteries à ions métalliques sont complètement déchargées, elles ne peuvent plus être rechargées.