Abondant, largement réparti dans le monde et hautement recyclable, l’aluminium attire de plus en plus l’attention des chercheurs comme matériau pour les batteries de nouvelle génération. Sa capacité théorique à échanger trois électrons par ion lui confère des caractéristiques intéressantes, même si plusieurs verrous techniques restent à lever avant une éventuelle industrialisation.
La domination des batteries lithium-ion repose sur des performances désormais bien établies, mais elle s’accompagne aussi d’une forte dépendance à certaines chaînes d’approvisionnement et à des matières premières concentrées dans un nombre limité de pays. Cette situation pousse la recherche à explorer d’autres chimies capables de compléter le lithium pour certains usages.
Après les batteries sodium-ion, déjà engagées dans une phase de commercialisation, les systèmes dits multivalents suscitent un intérêt croissant. Parmi eux, l’aluminium présente une caractéristique importante : alors que le lithium ou le sodium échangent un électron par ion, l’aluminium peut théoriquement en échanger trois.
Cette propriété lui confère une capacité volumique théorique très élevée. L’aluminium métallique atteint environ 8 046 mAh/cm³, contre 2 061 mAh/cm³ pour le lithium métallique. Sa capacité massique est toutefois légèrement inférieure.
Un matériau abondant et recyclable
L’autre grand avantage de l’aluminium tient à sa disponibilité. Ses minerais sont présents dans de nombreuses régions du monde et sa filière de recyclage est déjà largement développée.
Dans une batterie aluminium-ion rechargeable, l’aluminium métallique constitue généralement l’anode. Lors de la décharge, il s’oxyde en ions Al³⁺ qui migrent vers la cathode, tandis que les électrons circulent dans le circuit extérieur. Le processus s’inverse lors de la recharge.
Sur le papier, le mécanisme est séduisant. Dans la pratique, il reste complexe.
La charge élevée des ions Al³⁺ provoque de fortes interactions avec les matériaux de cathode, ce qui peut accélérer leur dégradation et limiter la durée de vie de la batterie.
Les tensions de fonctionnement constituent une autre difficulté. Elles restent relativement faibles dans certaines configurations, ce qui limite la densité énergétique accessible.
Des systèmes utilisant notamment des ions AlCl₄⁻ avec des cathodes en graphite permettent d’atteindre des tensions proches de 2 volts et des puissances spécifiques pouvant aller jusqu’à 3 000 W/kg. Leur densité énergétique reste cependant limitée, autour de 40 Wh/kg, soit un niveau comparable à celui des batteries au plomb.
L’électrolyte reste un verrou
L’électrolyte constitue également un point critique. Les électrolytes aqueux sont plus simples à utiliser, mais peuvent provoquer une production d’hydrogène. Les électrolytes non aqueux permettent d’éviter ce phénomène, au prix d’un caractère souvent corrosif qui complique la conception des cellules et leur industrialisation.
Les batteries aluminium-ion restent donc aujourd’hui essentiellement au stade de la recherche et du développement.
Plusieurs initiatives montrent néanmoins un intérêt croissant. Au Royaume-Uni, le programme UltraStore de la Faraday Institution soutient les travaux sur les nouvelles chimies de stockage. Plusieurs entreprises explorent également différentes variantes de batteries à base d’aluminium, notamment avec du graphène.
La société britannique Eqonic évoque par exemple un objectif de coût pouvant descendre jusqu’à 50 livres par kWh à grande échelle, même si ce niveau reste encore à démontrer industriellement. En Australie, Graphene Manufacturing Group travaille sur une batterie aluminium-graphène.
Le stockage stationnaire comme premier marché
À court terme, le stockage stationnaire apparaît comme l’un des débouchés les plus naturels pour ces technologies. Ce marché tolère davantage les contraintes de masse et de volume que la mobilité.
Les batteries aluminium-ion ne semblent donc pas destinées à remplacer le lithium dans tous les usages. Elles pourraient plutôt trouver leur place dans un paysage du stockage de plus en plus diversifié, où plusieurs chimies coexisteront selon les besoins.
L’enjeu pourrait ainsi moins résider dans la recherche d’un substitut unique au lithium que dans la capacité à développer plusieurs solutions complémentaires, capables de sécuriser les approvisionnements et d’adapter le stockage aux différents usages.
