Les bouteilles en plastique pourraient trouver une nouvelle vie dans les batteries sous forme de graphite

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont transformé du polyéthylène téréphtalate (ou PET) issu de déchets en graphite synthétique hautement ordonné, une forme cristalline du carbone. Le graphite ainsi obtenu présentait de grands cristallites bien ordonnés — c’est-à-dire des régions microscopiques composées de couches de carbone parfaitement alignées —, ce qui indique une structure cristalline très organisée. Ces propriétés surpassaient celles d’échantillons de graphite naturel disponibles dans le commerce, ce qui montre que le matériau dérivé du PET présentait une structure cristalline plus ordonnée. Un tel ordre structurel est un indicateur clé de l’aptitude à servir de matériau d’anode de haute qualité par rapport au graphite naturel, couramment utilisé comme référence dans la recherche sur les batteries.

Ces résultats, publiés dansla revue *Diamond and Related Materials*, suggèrent qu’un déchet courant pourrait devenir une source précieuse de carbone de qualité batterie.

« La plupart des gens considèrent une bouteille en plastique comme un déchet une fois qu’ils ont fini de l’utiliser », a déclaré Shakshi Sekar, auteur principal de l’étude et doctorant au département John and Willie Leone Family d’ingénierie énergétique et minière de l’université Penn State. « Nos travaux montrent que ce même matériau peut devenir une ressource précieuse pour la production de graphite, qui est essentiel aux technologies modernes des batteries. »

Classé comme minéral critique par le ministère américain de l’Énergie, le graphite est un composant essentiel des batteries lithium-ion, servant de matériau d’anode qui stocke et libère les charges électriques. À mesure que la demande en véhicules électriques, en électronique grand public et en systèmes de stockage d’énergie à l’échelle du réseau continue de croître, la demande en graphite de qualité batterie augmente également.

Parallèlement, le PET reste l’un des plastiques les plus utilisés au monde, selon l’Association nationale pour les ressources en contenants en PET. Bien que de nombreux consommateurs déposent leurs bouteilles en plastique dans les bacs de recyclage, une grande partie de ce matériau finit par être jetée, recyclée vers des produits de moindre valeur ou envoyée en décharge.

L’équipe de recherche a déclaré avoir identifié une opportunité de relever ces deux défis.

En combinant du PET déchiqueté avec de petites quantités d’oxyde de graphène et en chauffant le matériau selon un procédé thermique soigneusement contrôlé, l’équipe a réussi à réorganiser les atomes de carbone au sein du plastique en structures graphitiques hautement ordonnées.

« Nous ne nous contentons pas de trouver une utilisation aux déchets plastiques », a déclaré Sekar. « Nous créons un matériau précieux qui pourrait contribuer à répondre à la demande croissante en batteries et en technologies d’énergie propre. »

Les chercheurs ont découvert que l’ajout de seulement 2,5 % d’oxyde de graphène en poids permettait d’obtenir un graphite de la plus haute qualité. Dans ces conditions, le matériau a développé des cristallites dont les dimensions dépassaient celles du graphite naturel, ce qui témoigne d’un degré exceptionnel d’ordre structurel.

Selon les chercheurs, les groupes fonctionnels contenant de l’oxygène situés le long des bords des feuilles d’oxyde de graphène contribuent à initier et à favoriser la croissance latérale des cristaux de graphite. Les surfaces de graphène exposées agissent comme des matrices qui guident les atomes de carbone vers des arrangements empilés hautement organisés pendant la graphitisation, processus de transformation du carbone en graphite.

L’approche de l’équipe se distingue de nombreuses méthodes antérieures utilisées pour produire du graphite synthétique. Les techniques courantes de graphitisation s’appuient souvent sur des catalyseurs métalliques tels que le fer, le nickel ou le cobalt, qui peuvent laisser des impuretés nécessitant des étapes supplémentaires de purification chimique pour être éliminées.

Au lieu de cela, ces chercheurs ont utilisé des additifs à base de graphène qui favorisent la graphitisation sans introduire de contaminants métalliques.

« En évitant les catalyseurs métalliques, nous pouvons produire du graphite plus pur tout en réduisant l’utilisation de produits chimiques et la production de déchets », a déclaré M. Sekar.

Selon les chercheurs, la suppression des étapes d’élimination des catalyseurs pourrait simplifier la fabrication future et réduire l’empreinte environnementale liée à la production de matériaux pour batteries.

Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour évaluer la production à grande échelle et les performances des batteries, cette étude ouvre une voie prometteuse pour transformer l’un des flux de déchets les plus courants au monde en un matériau de stockage d’énergie à haute valeur ajoutée.

Ces résultats indiquent également un changement plus large dans la manière dont les déchets plastiques pourraient être considérés à l’avenir, a noté M. Sekar.

« Si les déchets plastiques peuvent devenir une matière première pour des matériaux énergétiques de pointe, cela change notre façon de concevoir le recyclage », a déclaré M. Sekar. « Au lieu de considérer le plastique comme un problème d’élimination, nous pouvons le voir comme une ressource qui contribue à soutenir les technologies d’énergie propre. »