Les batteries aux nanoparticules

En recouvrant l'anode de nanoparticules de cuivre, des chercheurs de l’université de Stanford aux États-Unis ont créé une batterie qui se charge plus vite et, surtout, qui supporte un très grand nombre de cycles charges-décharges. Un point essentiel pour des batteries de grandes capacités destinées à stocker l'électricité produite par les énergies renouvelables.
L’un des plus importants problèmes posés par les énergies renouvelables, notamment les panneaux solaires et les éoliennes, concerne le stockage de l'électricité produite. Car ce n’est pas forcément au moment où le soleil brille le plus – typiquement en pleine journée – et donc que la plus grande quantité d’électricité est produite qu’on en a le plus besoin. Ce serait plutôt le soir, lorsque toutes les lampes et lampadaires sont allumés et que les chauffages sont mis en route.

Si on sait stocker cet excès temporaire dans des batteries géantes, on maîtrise moins la versatilité de ce stockage, notamment liée à l’usure des batteries, inéluctable. Un grand enjeu actuel est de créer des systèmes de stockages efficaces, offrant de grandes capacités et supportant un grand nombre de cycles charges-décharges.

Des chercheurs de l'université de Stanford viennent sans doute de faire un pas dans cette direction. Ils ont mis au point une batterie qui pourrait subir jusqu’à 40.000 cycles de charges et décharges complètes sans perdre plus de 17 % de sa capacité de charge, là ou une batterie lithium-ion standard peut être considérée comme usée au bout de 400 cycles. Avec des charges et décharges modestes, les chercheurs obtiennent une perte de capacité de charge de seulement 1 %.

Pour cela, cette batterie fait appel pour l’une de ses électrodes (la cathode, c'est-à-dire le pôle « + ») à des nanoparticules. Des expériences avaient déjà été menées mais comme l’explique Frédéric Le Cras, du CEA-Liten (Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux), « leur utilisation dans les accumulateurs lithium-ion actuels est loin d’être systématique. Elle intervient lorsqu’elle résout certaines limitations des matériaux "massifs" ou permet de mieux exploiter certaines de leurs propriétés ».

Dans le cas étudié, il s’agit de nanoparticules à base de cuivre (de l’hexacyanoferrate de cuivre). Elles forment un réseau cristallin suffisamment ouvert pour que les ions puissent y circuler facilement, et donc sortir de l'électrode et y pénétrer sans provoquer d'usure importante. Pour maximiser l'effet, l'équipe a remplacé les ions lithium par des ions potassium, dont la taille correspond mieux aux pores du réseau cristallin. Résultat, la batterie dispose d’une durée de vie décuplée (« jusqu’à trente ans sur le réseau électrique » selon l’un des chercheurs responsables de l’expérience, cité par Nature Communications), et d’un temps de charge optimisé.

Améliorer la circulation des ions au niveau des électrodes constitue un bon moyen d'augmenter l'efficacité des batteries. Récemment, une équipe de l'école McCormick, aux États-Unis, a présenté une anode recouverte de feuillets de graphène entre lesquels sont intercalés des massifs d'atomes de silicium, ce qui augmente la quantité d'ions stockés ainsi que leur circulation au sein de l'électrode.

On le voit, les progrès en matière de batterie vont bon train mais nous n'en sommes là qu'au laboratoire. Le dispositif de Stanford, par exemple, présente un petit inconvénient, en l'occurrence la perte d’une des principales qualités des batteries lithium-ion qui était la densité. C'est-à-dire la capacité à stocker beaucoup d’énergie dans une taille réduite. Ce que confirme Frédéric Le Cras : « L’emploi de ces matériaux nanométriques reste limité dans le cas des accumulateurs au lithium, car cela se traduit rapidement en une perte de densité d’énergie massique et volumique : ces matériaux sont moins denses et requièrent la mise en œuvre de davantage de composés "périphériques" (liants polymère, carbone, etc.) pour leur intégration dans l’accumulateur ».

Mais ce n’est pas très grave puisqu’on ne parle pas ici de batterie pour des appareils portables mais pour le réseau électrique général, qui dispose d’une vaste capacité de stockage.

Surtout, cet inconvénient est compensé par le plus faible coût de production de ces batteries aux nanoparticules par rapport à des batteries lithium-ion. Grâce au remplacement du lithium par le potassium tout d’abord, mais aussi par l’utilisation d’un électrolyte (la substance conductrice des ions vers les électrodes) à base d’eau et non plus de solvants organiques de types carbonates.

Il reste une limitation de taille pour développer cette nouvelle technologie de batteries car l'équipe de Stanford n'a en quelque sorte résolu que la moitié du problème. Cette cathode à nanoparticules de cuivre présente un potentiel électrique tel qu'elle n'est pas compatible avec les anodes actuelles, l'ensemble ne fournissant qu'une trop faible tension, c'est-à-dire une trop petite différence de potentiel. Il reste donc aux chercheurs à trouver le bon matériau pour l’anode... tout comme l'équipe de McCormick doit trouver la bonne technique pour la cathode.

Quoi qu’il en soit et même si pour le moment aucune véritable batterie complète n’a été construite suivant ce modèle, la promesse est énorme et pourrait, entre autres, faciliter le déploiement de structures permettant de produire et stocker de l’énergie renouvelable. Reste à trouver le chemin de l’industrialisation qui, d’après les chercheurs impliqués, serait déjà tracé.