Des batteries durables pour l'avenir
Les groupes de recherche de l'ISTA s'efforcent de rendre les économies d'énergie plus vertes
Les piles sont indispensables aux efforts mondiaux visant à réduire l'utilisation des combustibles fossiles. Cependant, des défis subsistent : leur production nécessite beaucoup d'énergie, les matériaux utilisés sont rares et les batteries sont difficiles à recycler. Plusieurs groupes de recherche de l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) travaillent donc sur de nouvelles batteries plus respectueuses de l'environnement et plus efficaces.
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Des téléphones cellulaires aux ordinateurs portables en passant par les véhicules électriques, les batteries lithium-ion (Li-ion) sont essentielles dans la vie quotidienne de nombreuses personnes. Pourtant, ce qui semble être une aubaine pose de nombreux problèmes : Les métaux utilisés dans les cellules des batteries - principalement le cobalt et le lithium - ne peuvent être obtenus que dans quelques endroits. En conséquence, des écosystèmes sont détruits, des personnes travaillent dans des conditions catastrophiques et l'industrie dépend d'une chaîne d'approvisionnement fragile, dont la rupture soudaine pourrait avoir des conséquences dramatiques.
Des groupes de recherche dans les domaines de la chimie et de la physique à l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) tentent de s'attaquer à ces problèmes. Leurs projets ont tous le même objectif : trouver de nouveaux matériaux pour rendre les batteries plus durables.
Le recyclage par la nature vivante
2021 a été la première année où le coût des batteries Li-ion a augmenté. "La raison en est la rareté du cobalt et du lithium, combinée à une demande en forte hausse, qui sont essentiels aux batteries Li-ion dans leur forme actuelle", explique Stefan Freunberger, professeur assistant à l'ISTA. La bonne nouvelle : il est possible de remplacer le cobalt - c'est exactement ce que M. Freunberger a l'intention de faire. Son groupe de recherche se concentre sur la fabrication de batteries aussi performantes que les batteries Li-ion, mais uniquement à partir d'éléments très abondants. Il utilise notamment des matériaux organiques composés uniquement d'éléments tels que le carbone, l'hydrogène et l'oxygène, qui proviennent, comme leur nom l'indique, de sources organiques. Le groupe de recherche étudie également l'utilisation directe d'éléments inorganiques comme le soufre.
En outre, contrairement aux matériaux à base de cobalt, ces matériaux ont le potentiel d'être entièrement recyclés par la nature vivante et l'énergie totale nécessaire à la production de batteries peut être réduite. "Normalement, la fabrication de batteries Li-ion consomme beaucoup d'énergie et a une grande empreinte CO2. En utilisant les bons matériaux, il est possible de réduire ces valeurs d'un ordre de grandeur", explique M. Freunberger. "Si tout se passe bien, nous disposerons d'ici quelques années de batteries fonctionnelles à base d'éléments organiques. Nous ne sommes pas encore prêts pour la commercialisation, mais nos résultats sont prometteurs", conclut M. Freunberger. Les chercheurs sont soutenus dans leur ambitieux projet par une subvention "Preuve du concept" du CER, qui permet d'évaluer le potentiel commercial des résultats de la recherche.
Le magnésium : Une lueur d'espoir
Le magnésium est un matériau qui pourrait être extrait de manière écologique. En outre, il s'agit de l'un des dix éléments les plus courants de la croûte terrestre. Ce métal argenté brillant et léger est au cœur du projet "MAGNIFICO". Des chercheurs de l'Institut autrichien de technologie (AIT) et de l'ISTA unissent leurs forces dans ce projet financé par l'Agence autrichienne de promotion de la recherche (FFG). Ensemble, ils cherchent à utiliser le magnésium pour l'anode de la batterie au lieu du lithium. Cependant, bien que le magnésium ait généralement les bonnes propriétés électrochimiques, les anodes en magnésium sont incompatibles avec la plupart des électrolytes - le milieu qui permet au courant de circuler à l'intérieur de la batterie. En particulier, l'électrolyte se décompose en présence de magnésium, ce qui limite la conductivité électrique. Pour résoudre ce problème critique, l'équipe du projet travaille à la mise en place d'un bouclier pour l'anode qui empêche la décomposition de l'électrolyte. Dans le cadre de ce projet ambitieux, Bingqing Cheng, professeur adjoint à l'ISTA, et son groupe de recherche effectuent des calculs informatiques et de l'apprentissage automatique afin de mieux comprendre et prédire les propriétés des matériaux.
Les batteries industrielles réimaginées
Alors que les batteries Li-ion sont principalement installées dans les innombrables appareils électriques de notre vie quotidienne, le groupe de recherche de Maria Ibáñez, professeur de Verbund à l'ISTA, voit plus grand. "Les entreprises industrielles ont la plus forte demande en énergie", explique Mario Palacios Corella, postdoc au sein du groupe Ibáñez. "Notre objectif est de les alimenter avec une nouvelle technologie de batterie à flux redox, plus durable.
Les batteries à flux redox conventionnelles contiennent une membrane sélective d'ions connue sous le nom de Nafion. Ce produit chimique très durable est non seulement coûteux, mais il a également de graves incidences négatives sur l'environnement. Les nouvelles batteries sur lesquelles travaillent les chercheurs de Klosterneuburg dans le cadre du projet "MeBattery", financé par l'UE, ne nécessitent pas du tout cette membrane de séparation. À cette fin, le groupe expérimente diverses substances chimiques et leur capacité à se mélanger et à former des matériaux électroactifs.
"Dans les batteries à flux redox, les espèces chimiques susceptibles de gagner ou de perdre des électrons sont dissoutes dans des électrolytes et stockées dans deux réservoirs différents", poursuit M. Corella. Lorsque de l'énergie est nécessaire, les électrolytes sont pompés dans une chambre de réaction, où les deux électrolytes sont séparés par une membrane qui permet la circulation des ions, mais pas celle des espèces chimiques dissoutes. La réaction électrochimique spontanée qui se produit de part et d'autre de la membrane donne lieu à un flux d'électrons, générant ainsi un courant. "En tirant parti des propriétés physiques des électrolytes et en jouant sur leur miscibilité, nous pouvons nous débarrasser de la membrane. C'est une percée", ajoute le jeune chimiste.
Qu'il s'agisse d'éléments abondants remplaçant les métaux rares ou de matériaux entièrement nouveaux, les scientifiques de l'ISTA travaillent, grâce à leurs approches novatrices, sur les fondements de systèmes énergétiques plus respectueux de l'environnement et plus durables.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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