Des piles recyclables pour réduire les émissions de CO₂
Les lauréats des prix de recherche de l'université de Paderborn présentent leurs travaux
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La protection du climat et la sécurité d’approvisionnement énergétique comptent parmi les principaux défis de notre époque. Alors que la demande en énergie augmente, les émissions de dioxyde de carbone (CO₂) doivent diminuer et les ressources précieuses doivent être utilisées plus efficacement. C’est pourquoi il est nécessaire de disposer de technologies capables de relever plusieurs de ces défis simultanément. Et si le CO₂ servait à faire avancer la protection du climat ? La professeure adjointe María Nieves López Salas et la chercheuse postdoctorale Teresa de los Arcos de Pedro, toutes deux du département de chimie de l’université de Paderborn, explorent précisément cette question dans le cadre de leur projet de recherche. Elles étudient si le CO₂ peut être utilisé pour stocker de l’énergie dans des batteries. Pour ce projet, elles ont reçu le Prix de la recherche de l’université de Paderborn en 2024 et viennent de présenter leurs premiers résultats au public à la mairie de Paderborn.
Applications industrielles
« Les sources d’énergie renouvelables telles que l’éolien ou le solaire ne sont pas toujours disponibles. C’est pourquoi nous avons besoin de batteries de grande capacité capables de stocker cette électricité de manière fiable sans nuire elles-mêmes à l’environnement », explique Teresa de los Arcos de Pedro. Les batteries au CO₂ de Paderborn sont donc destinées aux grandes installations industrielles à forte consommation d’énergie, telles que les aciéries. Elles pourraient y être utilisées à l’avenir pour assurer un approvisionnement électrique ininterrompu, la compensation du réseau ou des systèmes d’urgence autonomes. Cela serait notamment possible si les batteries étaient raccordées directement à des sources industrielles de CO₂. « Le CO₂ serait capté et converti à l’intérieur de la batterie, par exemple en monoxyde de carbone, qui pourrait ensuite servir de matière première pour d’autres processus chimiques », précise le professeur adjoint López Salas. Le fait que cette conversion ait lieu au niveau d’une électrode est l’une des principales découvertes des chimistes. Si le monoxyde de carbone peut être nocif dans la vie quotidienne, il peut être réutilisé dans l’industrie, par exemple comme matière première essentielle pour la production de produits chimiques.
Des catalyseurs innovants pour des batteries durables
Des téléphones portables aux installations industrielles à grande échelle : les batteries lithium-ion sont aujourd’hui utilisées presque partout. « Cependant, malgré leurs bonnes performances, ces batteries posent des problèmes : les matières premières telles que le lithium et le cobalt proviennent d’un nombre restreint de pays et sont parfois extraites dans des conditions de travail précaires. Elles sont également associées à des impacts environnementaux et à une forte consommation d’eau. De plus, le recyclage est techniquement complexe et coûteux », explique le Dr de los Arcos de Pedro. C’est pourquoi les deux scientifiques ont lancé le projet de recherche « CO2BATT », dans le but de développer des batteries utilisant des matériaux durables tout en valorisant et en réduisant le CO₂.
Ces « batteries à CO₂ à métaux de transition (TMBC) » se composent de deux électrodes. D’un côté se trouve un métal, l’anode, et de l’autre du carbone, la cathode. Entre les deux se trouve un électrolyte liquide qui conduit les ions à travers une membrane, de l’anode vers la cathode. « Ce qui rend cette technologie particulière, c’est que la batterie utilise le CO₂ présent dans l’air pour produire de l’électricité. Un problème se pose toutefois : le CO₂ est une molécule très stable qui ne réagit pas facilement avec d’autres substances. C’est précisément là qu’intervient notre recherche : nous testons quels matériaux sont les mieux adaptés et développons des catalyseurs qui aident le CO₂ à réagir plus facilement et plus rapidement », explique le maître de conférences López Salas, dont les recherches portent sur la chimie des matériaux durables. L’équipe de recherche a par exemple mis au point un catalyseur à base de chitine, une substance naturelle que l’on trouve notamment dans la carapace des crabes. Avec succès : la batterie au CO₂ a pu être chargée et déchargée à plusieurs reprises pendant plus de 50 heures.
Une recherche au potentiel considérable
Le maître de conférences López Salas est confiant quant aux prochaines étapes : « Nous disposons désormais de matériaux qui fonctionnent et donnent de bons résultats. Parallèlement, nous travaillons à la mise en place d’une analyse de surface en temps réel du catalyseur dans des conditions de réaction réelles. Cela nous permettra, entre autres, de mieux comprendre l’état chimique des atomes. Cette méthode est particulièrement passionnante, car elle ferait de nous l’un des rares groupes de recherche au monde capables de mener de telles investigations. »
« Ce projet incarne exactement ce que nous souhaitons soutenir à travers le Prix de la recherche de l’université : des idées audacieuses au potentiel considérable. Nous voyons ici un principe qui transforme le CO₂ d’un problème en un élément constitutif. Le potentiel qui se dessine ici est énorme : une seule et même approche aborde simultanément la protection du climat et un approvisionnement énergétique fiable », déclare le professeur Thomas Tröster, vice-président chargé de la recherche et des carrières universitaires.
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