Batteries durables fabriquées à partir de sous-produits de l'industrie du bois
La batterie de la forêt de Thuringe
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Compte tenu de la demande croissante de stockage d'énergie pour la transition énergétique, il est urgent de mettre au point des technologies de batteries rentables, sûres et économes en ressources. Les batteries sodium-ion basées sur des matériaux disponibles localement et respectueux de l'environnement constituent une approche prometteuse. Les chercheurs du Fraunhofer et leurs partenaires de projet travaillent sur un système de batterie sodium-ion basé sur la lignine, un sous-produit de l'industrie du bois et de la pâte à papier.
La lignine, un biopolymère, est un composant clé du bois, qui lui confère sa stabilité. En tant que sous-produit de l'industrie du papier, elle est généralement brûlée pour produire de l'énergie. Des chercheurs du Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS et de la Friedrich-Schiller-University Jena - tous deux partenaires du Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC) - ont eu une meilleure idée : dans le cadre du projet ThüNaBsE (Thuringia Sodium-Ion Battery for Scalable Energy Storage), financé par l'État libre de Thuringe et le Fonds social européen, les chercheurs développent et évaluent un nouveau type de batterie sodium-ion à base de lignine, depuis les matières premières jusqu'à la cellule complète de 1 Ah. Le projet vise à accroître l'indépendance vis-à-vis des matières premières essentielles tout en favorisant la transition vers des batteries moins chères, plus durables et plus sûres. Il est soutenu par un comité consultatif industriel composé principalement d'entreprises régionales, dont les sociétés Mercer Rosenthal GmbH, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, IBU-tec advanced materials AG et EAS Batteries GmbH, basées en Thuringe, ainsi que Petrochemical Holding GmbH, basée à Vienne. Un autre objectif du projet est de soutenir les jeunes chercheurs de Thuringe. C'est pourquoi plusieurs chercheurs prometteurs, qui terminent actuellement leur doctorat dans les domaines de l'énergie et de la recherche sur les batteries, participent au projet ThüNaBsE.
Lignine : Transformer un sous-produit en produit recyclable
La lignine se compose principalement de blocs de construction hydrocarbonés, qui peuvent être utilisés pour une variété d'applications chimiques, y compris les matériaux d'électrodes pour les batteries. Dans le cadre du projet, la matière première d'origine biologique sera utilisée pour l'électrode négative. "Nous voulons éviter les métaux critiques tels que le lithium, le cobalt et le nickel dans la chaîne de valeur des batteries. Nous cherchons également à minimiser la teneur en fluor des électrodes et des électrolytes, et nous testons dans quelle mesure nous pouvons l'éliminer. Cependant, le projet se concentre principalement sur la transformation de la lignine de haute qualité disponible localement en électrodes de haute performance pour nos batteries sodium-ion", explique Lukas Medenbach, chercheur au Fraunhofer IKTS d'Arnstadt, la porte d'entrée de la forêt de Thuringe.
La lignine utilisée dans le projet est fournie par Mercer Rosenthal GmbH. Dans des conditions inertes, elle est convertie thermiquement en carbone, qui est ensuite transformé en électrodes. "Nos partenaires de projet de l'Institut de chimie technique et de chimie environnementale de l'université Friedrich-Schiller, dirigés par le professeur Martin Oschatz, utilisent des procédés thermiques pour transformer la lignine en ce que nous appelons le carbone dur. La structure de ce carbone dur convient parfaitement au stockage réversible des ions sodium. Le carbone dur présente des performances électrochimiques élevées, une bonne stabilité du cycle et de faibles coûts d'acquisition, surtout s'il est obtenu à partir de matières premières durables", explique Cornelius Dirksen, collègue de M. Medenbach. Des analogues du bleu de Prusse, des composés de fer non toxiques, seront utilisés comme matériau pour l'électrode positive. Utilisée pour la première fois comme pigment il y a environ 200 ans, cette substance se caractérise par une bonne disponibilité des matières premières, sa compatibilité avec l'environnement et ses propriétés de stockage des ions sodium.
Les premières petites cellules de démonstration sont actuellement construites et testées au centre d'essai de batteries Fraunhofer IKTS à Arnstadt, au Fraunhofer IKTS à Hermsdorf et à l'université Friedrich Schiller à Iéna. Des simulations réalistes et multi-physiques complètent les travaux de laboratoire. Les résultats sont prometteurs : "Après 100 cycles de charge et de décharge, la cellule de laboratoire ne présente aucune dégradation significative. L'objectif est de démontrer 200 cycles de charge et de décharge pour la cellule complète de 1 Ah d'ici la fin du projet", explique M. Medenbach.
Une fois entièrement développée, la batterie pourrait être utilisée pour des applications de stockage stationnaires ou mobiles ne nécessitant pas de charge rapide. Les batteries sodium-ion à base de lignine conviennent aux applications mobiles ayant des besoins en énergie moindres, y compris, par exemple, les micro-voitures (vitesse limitée à 45 km/h) ou les véhicules logistiques d'entrepôt tels que les chariots élévateurs à fourche. Une fois le projet achevé, les partenaires du projet ont l'intention de poursuivre la mise à l'échelle de la technologie et de passer aux niveaux de maturité technologique suivants avec l'aide d'un consortium encore plus important.
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