Dans les laboratoires de batteries, où les innovations en matière de matériaux et de conceptions de stockage d'énergie sont testées et perfectionnées, le choix des structures de support et des collecteurs de courant est crucial pour réaliser des avancées en matière de performances. Les mousses métalliques – matériaux poreux et légers, dotés de surfaces spécifiques élevées et d'une excellente conductivité – se sont imposées comme des outils indispensables dans ce contexte. Contrairement aux feuilles métalliques denses, leurs réseaux de pores interconnectés (généralement de 50 à 98 % de porosité) permettent une meilleure charge en matériau actif, une diffusion ionique plus rapide et une meilleure gestion thermique, ce qui les rend idéales pour étudier le comportement des électrodes, optimiser les architectures de batteries et développer des systèmes de stockage d'énergie de nouvelle génération. Cet article explore quatre mousses métalliques clés – le nickel, le cuivre, l'aluminium et le titane – et leur rôle unique dans l'avancement de la recherche sur les batteries.

1. Mousse de nickel : le cheval de bataille de la recherche sur les cathodes

Mousse de nickel C'est la mousse métallique la plus utilisée dans les laboratoires de batteries, grâce à sa conductivité électrique élevée (~1,4 × 10⁷ S/m), sa résistance à la corrosion en milieu oxydant et sa compatibilité avec les compositions chimiques cathodiques courantes. Sa structure poreuse 3D (taille des pores comprise entre 100 et 500 μm) offre un support robuste pour le chargement des matériaux actifs cathodiques, répondant ainsi à un défi majeur de la fabrication d'électrodes en laboratoire : garantir une distribution uniforme du matériau et un contact électrique stable.

Dans la recherche sur les batteries lithium-ion (LIB), la mousse de nickel est fréquemment utilisée comme collecteur de courant pour les cathodes haute capacité telles que l'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC) et l'oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA). Par exemple, les équipes de laboratoire testant la NMC 811 (une cathode à haute teneur en nickel sujette à la fissuration des particules) appliquent souvent le matériau sur de la mousse de nickel plutôt que sur une feuille d'aluminium traditionnelle. Les pores de la mousse retiennent les particules de NMC, réduisant ainsi les contraintes mécaniques lors des cycles de charge-décharge et minimisant la perte de capacité. Une étude de 2024 du Battery Lab de Stanford a démontré que les électrodes NMC 811 sur mousse de nickel conservaient 89 % de leur capacité initiale après 500 cycles, contre 72 % sur feuille d'aluminium – des données attribuées à la capacité de la mousse à amortir les variations de volume.

La mousse de nickel joue également un rôle essentiel dans la recherche sur les batteries lithium-soufre (Li-S). Les cathodes Li-S souffrent d'un phénomène de « navette de polysulfure », où les espèces soufrées solubles migrent vers l'anode et réduisent leur efficacité. Les chercheurs utilisent la mousse de nickel comme hôte du soufre, exploitant sa grande surface pour ancrer les particules de soufre et ses sites actifs pour catalyser la conversion du polysulfure. Des expériences en laboratoire montrent que les cathodes en mousse de nickel chargées de soufre peuvent atteindre des capacités spécifiques de 1 200 mAh/g, soit près de 80 % de la capacité théorique du soufre, dépassant largement les performances d'une feuille d'aluminium recouverte de soufre.

Dans la recherche sur les batteries sodium-ion (SIB), la mousse de nickel supporte les cathodes, comme l'oxyde de sodium-nickel-manganèse (NaNi₁/3Mn₁/3Co₁/3O₂). Sa porosité accélère la diffusion des ions sodium dans l'ion Na⁺, plus gros que Li⁺. Les laboratoires de batteries adaptent souvent la taille des pores de la mousse de nickel (par gravure acide ou traitement thermique) afin d'étudier l'impact de la porosité sur le transport des ions, données essentielles à la mise à l'échelle de la technologie SIB.

2. Mousse de cuivre : permettre l'innovation en matière d'anodes et la suppression des dendrites

Mousse de cuivre C'est le matériau de référence pour la recherche sur les anodes dans les laboratoires de batteries, notamment pour les systèmes utilisant du lithium métal ou des matériaux d'anode haute capacité. Sa conductivité électrique élevée (~5,96 × 10⁷ S/m), sa ductilité et sa compatibilité avec les environnements réducteurs (typiques des anodes) le rendent supérieur aux feuilles de cuivre massif pour les tests en laboratoire.

L'un des principaux axes de recherche sur les batteries au lithium métal (LMB), qui promettent une densité énergétique trois fois supérieure à celle des LIB, mais rencontrent des difficultés liées à la croissance des dendrites de lithium – des structures en forme d'aiguilles qui percent les séparateurs et provoquent des courts-circuits. Les laboratoires de batteries utilisent la structure poreuse de la mousse de cuivre pour « accueillir » le lithium métal, répartissant ainsi uniformément le dépôt de lithium dans ses pores au lieu de permettre la formation de dendrites sur des surfaces planes. Par exemple, des chercheurs du MIT ont récemment testé une mousse de cuivre avec des pores de 300 μm comme échafaudage d'anode de lithium ; leurs résultats, publiés dans Joule, ont montré un cycle sans dendrites pendant 800 heures à 1 mA/cm² – une avancée majeure pour le développement des LMB. Les laboratoires modifient également les surfaces de la mousse de cuivre (par exemple, par électrodéposition de nanotubes de zinc ou de carbone) afin d'améliorer encore l'affinité du lithium, en utilisant ce matériau comme plateforme pour étudier les mécanismes de suppression des dendrites.

La mousse de cuivre est également essentielle pour tester les anodes à base de silicium, dont la capacité théorique est dix fois supérieure à celle du graphite, mais qui subissent une expansion volumique de 300 % lors des cycles. En laboratoire, des nanoparticules de silicium sont intégrées dans les pores de la mousse de cuivre, où celle-ci agit comme une structure flexible pour absorber la dilatation. Une étude de 2025 de l'Université du Michigan a révélé que les anodes en mousse de silicium-cuivre conservaient 75 % de leur capacité après 1 000 cycles, contre 40 % pour les anodes en feuille de cuivre recouvertes de silicium. Les chercheurs utilisent cette configuration pour optimiser la charge en silicium (généralement de 5 à 20 % en poids) et la taille des pores de la mousse, recueillant ainsi des données pour éclairer la conception des anodes commerciales.

Dans la recherche sur les batteries sodium-ion et potassium-ion, la mousse de cuivre sert de collecteur de courant anodique pour les matériaux durs à base de carbone ou d'alliages (par exemple, l'étain, l'antimoine). Sa porosité améliore la mouillabilité de l'électrolyte, un facteur clé pour les ions Na⁺ et K⁺ plus gros. Les laboratoires comparent souvent la mousse de cuivre à d'autres collecteurs (par exemple, le nickel) pour quantifier les gains de performance.

3. Mousse d'aluminium : des solutions légères pour la recherche sur les batteries à faible coût

La mousse d'aluminium est appréciée dans les laboratoires de batteries pour sa faible densité (1/3 de celle du cuivre), son faible coût et sa compatibilité avec les électrolytes aqueux ou à faible toxicité, ce qui la rend idéale pour la recherche sur des systèmes de batteries durables et économiques. Bien que sa conductivité électrique (~3,77 × 10⁷ S/m) soit inférieure à celle du cuivre ou du nickel, sa structure poreuse compense en améliorant le transport ionique dans certaines applications.

Un domaine majeur de recherche sur la mousse d'aluminium concerne les batteries aqueuses, qui utilisent des électrolytes aqueux (plus sûrs et moins chers que les électrolytes organiques), mais qui sont confrontées à des problèmes de corrosion. La couche d'oxyde naturel de la mousse d'aluminium (Al₂O₃) résiste à la dégradation dans les électrolytes neutres ou légèrement alcalins, ce qui en fait un collecteur de courant stable pour les batteries LIB ou SIB aqueuses. Par exemple, les équipes de l'Université Tsinghua utilisent la mousse d'aluminium comme collecteur cathodique pour les batteries LFP (lithium fer phosphate) aqueuses, atteignant une capacité spécifique de 160 mAh/g et une rétention de capacité de 90 % après 200 cycles – des performances comparables à celles des systèmes à électrolytes organiques, mais à un coût 50 % inférieur.

La mousse d'aluminium joue également un rôle dans la recherche sur les batteries hybrides à supercondensateurs (batterie-supercondensateur). Sa grande surface et sa conception légère la rendent idéale pour les électrodes de supercondensateurs (chargées de charbon actif) associées aux électrodes de batterie afin d'augmenter la densité de puissance. Les laboratoires utilisent la mousse d'aluminium pour tester l'intégration des composants de la batterie et du supercondensateur, en mesurant comment la porosité de la mousse équilibre le stockage d'énergie (de la batterie) et la fourniture d'énergie (du supercondensateur).

Lors du développement de prototypes en laboratoire, la mousse d'aluminium est souvent utilisée pour réduire le poids des batteries. Par exemple, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont construit un prototype de batterie pour véhicule électrique en utilisant de la mousse d'aluminium comme collecteur structurel, réduisant ainsi le poids de 15 % sans compromettre la densité énergétique – une donnée essentielle pour la conception de batteries automobiles.

4. Mousse de titane : applications spécialisées dans la recherche sur la haute stabilité

Mousse de titane Il s'agit d'un matériau de niche, mais essentiel dans les laboratoires de batteries, apprécié pour son exceptionnelle résistance à la corrosion (même dans les électrolytes acides ou à haute tension) et sa grande stabilité thermique (point de fusion d'environ 1 668 °C). Bien que plus onéreux que les autres mousses, ses propriétés uniques le rendent indispensable pour la recherche sur les batteries soumises à des conditions extrêmes.

Une application clé est celle des batteries lithium-ion haute tension (4,5 V et plus), qui utilisent des électrolytes agressifs qui corrodent les collecteurs en cuivre ou en aluminium. La résistance de la mousse de titane à l'oxydation de l'électrolyte permet aux laboratoires de tester des cathodes haute tension comme le LiCoO₂ (LCO) à 4,5 V, là où les collecteurs traditionnels échouent. Une étude de 2024 du Korean Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) a utilisé de la mousse de titane comme collecteur de cathode pour le LCO 4,6 V, atteignant une capacité spécifique de 220 mAh/g et une rétention de 85 % après 300 cycles. Ces données font progresser le développement de batteries lithium-ion à haute densité énergétique pour drones ou satellites.

La mousse de titane est également utilisée dans la recherche sur les batteries à semi-conducteurs (SSB), où les températures de traitement élevées (800–1 200 °C pour les électrolytes à oxyde) nécessitent des collecteurs thermostables. Les laboratoires utilisent la mousse de titane pour supporter des électrolytes solides comme le LLZO (Li₇La₃Zr₂O₁₂), car elle ne réagit pas avec l'électrolyte lors du frittage. Cela permet aux chercheurs d'étudier l'interface entre le collecteur et l'électrolyte solide, un obstacle majeur aux performances des SSB.

Dans les recherches sur le recyclage en laboratoire, la mousse de titane est utilisée comme substrat pour l'électrodéposition de lithium ou de cobalt recyclé provenant de batteries usagées. Sa résistance à la corrosion garantit sa non-dissolution dans les solutions de lixiviation acides utilisées pour le recyclage, ce qui en fait une plateforme fiable pour tester l'efficacité de la récupération des métaux.

Pourquoi les mousses métalliques sont indispensables dans les laboratoires de batteries

Au-delà de leurs avantages spécifiques aux matériaux, les mousses métalliques offrent trois avantages universels aux chercheurs en batteries :

Paramétrage ajustable : Les laboratoires peuvent modifier la porosité de la mousse (par gravure chimique ou perçage laser), son épaisseur (100 à 500 µm) et sa composition chimique de surface (revêtement carbone, oxydes ou polymères) afin d'isoler les variables et d'étudier l'impact de chaque facteur sur les performances de la batterie. Par exemple, tester une mousse de nickel avec une porosité de 60 % ou de 80 % révèle l'influence de la taille des pores sur la charge cathodique NMC et la diffusion ionique.

Intégration facile : les mousses métalliques sont flexibles et peuvent être découpées en formes personnalisées (par exemple, disques pour piles boutons, feuilles pour piles à poche), ce qui les rend compatibles avec les équipements de test de laboratoire standard tels que les postes de travail électrochimiques ou les cycleurs de batterie.

Aperçu mécanistique : leur structure poreuse permet aux chercheurs de visualiser des processus tels que la croissance des dendrites (par microscopie) ou la pénétration des électrolytes (par tomographie à rayons X), fournissant des informations essentielles sur les mécanismes de défaillance des batteries qui sont cachés dans les collecteurs métalliques denses.

Les mousses métalliques (nickel, cuivre, aluminium et titane) sont bien plus que de simples structures de support dans les laboratoires de batteries ; elles sont des moteurs d'innovation. En relevant des défis clés tels que la charge active, la suppression des dendrites et la résistance à la corrosion, elles permettent aux chercheurs de repousser les limites de la performance, de la sécurité et de la durabilité des batteries. Qu'il s'agisse de tester des cathodes à haute teneur en nickel, des anodes en lithium métal, des électrolytes aqueux ou des systèmes à semi-conducteurs, les mousses métalliques offrent une plateforme polyvalente pour collecter des données, valider des hypothèses et développer des technologies qui alimenteront la prochaine génération de stockage d'énergie. Avec l'évolution de la recherche sur les batteries, le rôle des mousses métalliques ne fera que croître, consolidant ainsi leur statut d'outils essentiels dans la quête de batteries plus performantes, plus économiques et plus fiables.