Accumulateur aluminium-ion

Comme tous les accumulateurs, la structure d’un accumulateur aluminium-ion comprend deux électrodes connectées par un électrolyte, un matériau conducteur pour les porteurs de charge, ici les ions aluminium.La puissance d’un accumulateur dépend de facteurs tels que : son voltage intrinsèque, sa capacité et sa composition chimique. On peut optimiser la capacité énergétique d’un accumulateur :

• en augmentant la différence de potentiel chimique entre les électrodes^[1] ;
• en réduisant la masse des réactifs^[1] ;
• en empêchant la dégradation de l’électrolyte par les réactions chimiques^[1].

De nombreuses équipes de recherche expérimentent l’aluminium pour tenter de produire des accumulateurs plus efficaces et de plus longue durée de vie.

Les chercheurs de l'université Stanford, en Californie, ont annoncé le développement d’un accumulateur aluminium-ion (Al-ion) ayant un temps de recharge d’environ une minute, sans préciser toutefois la capacité de l’accumulateur. Ils déclarent leur accumulateur ininflammable, montrant une vidéo dans laquelle un accumulateur est percé durant son fonctionnement^[2]. Cet accumulateur devrait être bon marché^[3]. La tension fournie par l'accumulateur est de deux volts environ.

Le prototype a été testé durant 7 500 cycles de charge-décharge sans perte de capacité^[4],[5].

Le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), dans le Tennessee, a développé un accumulateur à haute densité d'énergie produisant 1 060 Wh/kg contre 406 Wh/kg pour l’accumulateur lithium-ion^[6].

L'ORNL a utilisé pour cela un électrolyte ionique au lieu d’un électrolyte en phase aqueuse qui peut en fonctionnement produire de l’hydrogène qui érode l’anode d’aluminium. Cet électrolyte est constitué de chlorure de 3-éthyl-1-méthylimidazolium avec un excès de chlorure d'aluminium^[7].Cependant, les électrolytes ioniques sont moins bons conducteurs, ce qui réduit la densité de puissance. En réduisant la distance entre anode et cathode, on peut compenser la perte de conductivité au prix d’un échauffement de l'accumulateur. L'ORNL a aussi développé une cathode d’oxyde de manganèse de structure spinelle pour réduire la corrosion^[8].

À l’université Cornell, une équipe a utilisé le même électrolyte que le Laboratoire d’Oak Ridge mais elle a utilisé des nanofils d’oxyde de vanadium à la cathode^[9]. L’oxyde de vanadium présente une structure ouverte à grande surface spécifique qui augmente la surface active d’aluminium et réduit la distance anode-cathode, augmentant ainsi l’énergie disponible. Le dispositif a produit une tension de sortie élevée mais une faible efficacité de Faraday (forte auto-décharge)^[7].

Demi-réaction à l'anode :

${\displaystyle \mathrm {Al} +\mathrm {7AlCl_{4}^{-}} \leftrightarrows \mathrm {4Al_{2}Cl_{7}^{-}} +\mathrm {3e^{-}} }$

Demi-réaction à la cathode :

${\displaystyle \mathrm {2MnO_{2}} +\mathrm {Li^{+}} +\mathrm {e^{-}} \leftrightarrows \mathrm {LiMn_{2}O_{4}} }$

La combinaison des deux demi-réactions donne :

${\displaystyle \mathrm {Al} +\mathrm {7AlCl_{4}^{-}} +\mathrm {6MnO_{2}} +\mathrm {3Li^{+}} \leftrightarrows \mathrm {4Al_{2}Cl_{7}^{-}} +\mathrm {3LiMn_{2}O_{4}} }$

L’accumulateur aluminium-ion est similaire à l’accumulateur lithium-ion où on a remplacé le lithium par l’aluminium à l’anode. La tension théorique des accumulateurs à l’aluminium est plus faible que celle du lithium, 2,65 V au lieu de 4 V, mais la densité d’énergie pour les accumulateurs à l’aluminium est de 1 060 Wh/kg tandis qu’elle n’est que de 406 Wh/kg pour le lithium^[8]. Cette importante différence de capacité énergétique est due à la trivalence des ions aluminium, les ions lithium sont monovalents. Par ailleurs, l’aluminium est plus abondant que le lithium, ce qui devrait conduire à une baisse de prix des accumulateurs^[6].

Les accumulateurs Al-ion ont une relativement courte durée de conservation. La combinaison de paramètres tels qu'échauffement, vitesse de charge et nombre de cycles peut très fortement diminuer la capacité énergétique de ces accumulateurs. Un accumulateur à ions métalliques complètement déchargé ne peut pas être rechargé. Les électrolytes ioniques sont chers. Comme tous les types d’accumulateur, leur capacité énergétique est bien plus faible que l'énergie chimique de l’essence, par exemple^[10].