Batteries rouillées ?
Les sphères de carbone remplies d'oxyde de fer offrent une grande capacité de stockage
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Les batteries lithium-ion conventionnelles contiennent des substances problématiques telles que le nickel et le cobalt, et les solvants utilisés pour recouvrir les matériaux des électrodes sont également toxiques. Les spécialistes des matériaux de l'université de la Sarre s'efforcent donc de mettre au point des solutions de remplacement respectueuses de l'environnement. En introduisant de l'oxyde de fer finement dispersé dans de minuscules sphères creuses de carbone très poreuses développées par le professeur Michael Elsaesser de l'université de Salzbourg, l'équipe de Sarrebruck a obtenu des résultats très prometteurs. L'équipe de Sarrebruck a obtenu des résultats très prometteurs : des capacités de stockage plus élevées en utilisant des matériaux qui sont à la fois facilement disponibles et beaucoup moins problématiques du point de vue de l'environnement. Les résultats viennent d'être publiés dans la revue Chemistry of Materials.
Quiconque s'est déjà rendu à Salzbourg, en Autriche, connaît les Mozartkugeln, ces fameuses boules de pâte d'amande et de nougat enrobées de chocolat. Les Mozartkugeln sont une façon simple d'imaginer les sphères creuses de carbone qui ont été mises au point par des chercheurs de l'université de Salzbourg et qui sont maintenant utilisées à l'université de la Sarre pour faire progresser la technologie des batteries lithium-ion. Connus sous le nom de sphérogels de carbone, ces nouveaux matériaux sont des unités de taille nanométrique d'environ 250 nm de diamètre qui offrent une grande surface et une capacité électrochimique élevée. Le défi pour nous consiste à utiliser la synthèse chimique pour remplir la cavité à l'intérieur de ces sphères avec des oxydes métalliques appropriés", explique Stefanie Arnold, spécialiste des matériaux. Après une série d'expériences initiales avec le dioxyde de titane, dont la capacité à stocker et à libérer des ions lithium était relativement faible, l'équipe s'est intéressée à l'oxyde de fer, que la plupart d'entre nous appellent communément la rouille.
Le fer présente un certain nombre d'avantages : il est abondant dans le monde entier, il offre - en théorie du moins - une grande capacité de stockage et il est facile à recycler", explique Stefanie Arnold, chercheuse postdoctorale à l'université de la Sarre, qui travaille avec Volker Presser, professeur de matériaux énergétiques. Grâce à une méthode de synthèse évolutive basée sur le lactate de fer, l'équipe de Salzbourg a pu intégrer différentes quantités de fer dans la structure de carbone des sphères creuses, produisant ainsi des réseaux poreux robustes avec des nanoparticules de fer uniformément réparties. Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que la capacité de stockage (c'est-à-dire la quantité de charge électrique qui peut être stockée et libérée de manière réversible par gramme de matériau d'électrode actif) a continué à augmenter pendant l'utilisation de la batterie. Plus la batterie était utilisée longtemps, plus elle était performante. Cela s'explique par le fait que le fer métallique élémentaire contenu dans les nanoparticules doit d'abord réagir avec l'oxygène pour former de l'oxyde de fer. Ce processus d'activation électrochimique du fer incorporé dans la matrice de sphérogel de carbone n'est pas immédiat mais se produit progressivement. Il faut environ 300 cycles de charge-décharge pour que toutes les cavités des sphères de carbone soient remplies d'oxyde de fer et que la capacité de stockage maximale soit atteinte", explique M. Arnold.
Les "batteries à base de rouille" sont encore à l'état embryonnaire
Toutefois, des recherches supplémentaires sont encore nécessaires avant que ce mécanisme puisse être utilisé à l'échelle industrielle. Le processus d'activation doit être plus rapide afin que les batteries puissent atteindre leur capacité de stockage maximale plus tôt. En outre, les sphérogels de carbone remplis d'oxyde de fer sont actuellement utilisés comme anode de la batterie ; une cathode appropriée doit encore être développée pour obtenir une cellule complète. Nous sommes convaincus que notre approche facilitera le développement de systèmes de stockage tampon respectueux de l'environnement pour les énergies renouvelables", déclare Volker Presser, qui dirige également le département de recherche sur les matériaux énergétiques à l'INM - Institut Leibniz pour les nouveaux matériaux - à Sarrebruck. Le nouveau matériau sera également testé pour les batteries sodium-ion, que les constructeurs automobiles chinois utilisent déjà. Ces matériaux constituent une plateforme technologique polyvalente qui permet d'intégrer in situ une grande variété d'autres substances dans les sphérogels en une seule étape de synthèse, ce qui ouvre la voie à un large éventail d'applications technologiques", ajoute Michael Elsässer.
Développer de nouvelles méthodes de recyclage et un approvisionnement en énergie respectueux du climat
Dans le cadre du projet "EnFoSaar", Stefanie Arnold étudie également la manière dont le lithium peut être récupéré des batteries et comment les futures batteries devraient être conçues pour pouvoir être démantelées à l'échelle industrielle. Nous avons besoin de méthodes de recyclage efficaces et de systèmes de matériaux en boucle fermée pour minimiser la consommation de ressources et réduire les déchets dans la chaîne d'approvisionnement des batteries", explique Stefanie Arnold. EnFoSaar est un projet de grande envergure financé par le gouvernement du Land de Sarre à hauteur de 23 millions d'euros par le Fonds de transformation de la Sarre. Il vise à développer des approches innovantes pour un approvisionnement énergétique respectueux du climat et à favoriser la transformation de l'industrie énergétique de la Sarre et du paysage de la recherche associé en développant des méthodologies innovantes, scientifiquement fondées et applicables dans la pratique.
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