Une équipe de chercheurs britanniques, dirigée par l’Université de Bristol, a réussi à fabriquer un nouveau séparateur de batterie particulièrement robuste à partir de nanomatériaux cellulosiques dérivés d’algues brunes. Cette invention pourrait ouvrir la voie à un dispositif de stockage d’énergie plus écologique et plus efficace que les batteries lithium-ion actuelles.
Les batteries lithium-ion, largement utilisées aujourd’hui, nécessitent d’extraire des matériaux rares (du lithium, mais aussi du cobalt, du nickel ou du manganèse), dans des conditions parfois peu respectueuses des droits humains. Les scientifiques tentent ainsi de développer des alternatives tout aussi efficaces, en particulier des batteries au sodium. « En raison de sa capacité théorique élevée et de son abondance, le sodium est l’alternative la plus séduisante au lithium en tant que matériau anodique pour les systèmes de stockage d’énergie rentables et à haute densité énergétique », expliquent les chercheurs dans Advanced Materials.
Avec une capacité théorique de 1165 mAh/g, les batteries sodium-métal sont l’un des systèmes de stockage d’énergie à haute performance et à faible coût les plus prometteurs. Cependant, l’un des principaux obstacles à leur développement est la croissance incontrôlée des dendrites, des « pics » de sodium solide qui perforent la membrane séparatrice se trouvant entre les deux électrodes et provoquent des courts-circuits. Autre inconvénient : leur durée de vie. Les réactions électrochimiques sur lesquelles reposent les cycles de charge/décharge ralentissent bien plus vite que dans les batteries au lithium. Des réactions secondaires apparaissent, l’électrolyte s’épuise et la batterie perd sa capacité. Des chercheurs apportent aujourd’hui une solution au problème.
Des nanocristaux de cellulose extraits des algues
Le but d’un séparateur de batterie est de séparer les parties fonctionnelles du système (les extrémités positive et négative) et de permettre le libre transport de la charge, explique Jing Wang, doctorant au Bristol Composites Institute et premier auteur de l’étude décrivant cette nouvelle technique.
S’appuyant sur des travaux antérieurs de l’Université de Bristol, et en collaboration avec l’Imperial College et l’University College de Londres, l’équipe a réussi à fabriquer un séparateur à partir de nanomatériaux cellulosiques dérivés d’algues brunes. Cette approche permet de s’affranchir des problèmes évoqués ci-dessus : les fibres contenant ces nanomatériaux empêchent non seulement les cristaux des électrodes de sodium de pénétrer dans le séparateur, mais améliorent également la capacité de stockage et l’efficacité des batteries.
Pour fabriquer ce nouveau séparateur, les chercheurs ont imprégné des fibres de polyétherimide de nanocristaux de cellulose (extraits des algues) d’environ 10 nanomètres de diamètre sur 200 nanomètres de long. Ce matériau composite a ensuite été transformé en fils chargés extrêmement fins par électrofilage. Ces fils permettent de former un séparateur bien plus robuste. À noter que les nanocristaux de cellulose peuvent être extraits d’autres matériaux (bois, lin, etc.), mais ceux des algues présentent l’avantage d’être relativement longs.
Cette approche permet d’augmenter la durée de vie des batteries au sodium — un élément essentiel pour alimenter des appareils tels que les téléphones portables pendant beaucoup plus longtemps, souligne Wang.
Un stockage de l’énergie plus propre et durable
Lors des tests, l’équipe a constaté que cette batterie pouvait conserver une incroyable stabilité à long terme, en maintenant une densité d’énergie élevée sur 1000 cycles. « De façon remarquable, des performances de cycle à long terme sans précédent à des densités de courant élevées (≥ 1000 h à 1 et 3 mA/cm2, ≥ 700 h à 5 mA/cm2) de cellules symétriques sont obtenues dans des électrolytes carbonatés sans additif », rapportent les chercheurs.
L’équipe espère que leur étude aidera à développer les batteries au sodium, dont la fabrication est bien plus écologique. « Ce travail démontre réellement que des formes plus écologiques de stockage de l’énergie sont possibles, sans que leur production ne soit destructrice pour l’environnement », a déclaré le professeur Steve Eichhorn, qui a dirigé les recherches au Bristol Composites Institute. Non seulement le lithium est extrait dans des conditions non conformes à l’éthique (dans des pays comme le Chili, la Bolivie et l’Argentine), mais cette exploitation minière est extrêmement polluante et consomme énormément d’eau.
En outre, le monde se tourne de plus en plus vers les batteries pour tenter de s’affranchir des ressources fossiles, mais le lithium n’est pas une source intarissable ! La pénurie étant inévitable, il est urgent de développer des alternatives reposant sur des ressources abondantes et durables. Le sodium utilisé ici peut être facilement récolté à partir de l’eau de mer, tout comme les algues brunes qui servent à fabriquer le séparateur.
« Ce travail ouvre une voie nouvelle et facile pour le développement de batteries sodium-métal stables, peu coûteuses et sûres, qui pourraient être facilement étendues à d’autres batteries de métaux alcalins », concluent les chercheurs.