Batteries durables fabriquées à partir de sous-produits de l'industrie du bois
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Face à la demande croissante de stockage d'énergie liée à la transition énergétique, il est urgent de développer des technologies de batteries économiques, sûres et économes en ressources. Les batteries sodium-ion, fabriquées à partir de matériaux locaux et respectueux de l'environnement, constituent une solution prometteuse. Les chercheurs de l'institut Fraunhofer et leurs partenaires travaillent actuellement sur un système de batterie sodium-ion à base de lignine, un sous-produit de l'industrie du bois et de la pâte à papier.
La lignine, un biopolymère, est un composant essentiel du bois, auquel elle confère sa stabilité. Sous-produit de l'industrie papetière, elle est généralement brûlée pour produire de l'énergie. Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques IKTS et de l'Université Friedrich-Schiller d'Iéna — tous deux partenaires du Centre de chimie énergétique et environnementale d'Iéna (CEEC) — ont imaginé une solution plus innovante : dans le cadre du projet ThüNaBsE (Batterie sodium-ion de Thuringe pour le stockage d'énergie à grande échelle), financé par le Land de Thuringe et le Fonds social européen, ils développent et évaluent un nouveau type de batterie sodium-ion à base de lignine, depuis les matières premières jusqu'à la cellule complète de 1 Ah.
Ce projet vise à favoriser une plus grande indépendance vis-à-vis des matières premières critiques, tout en encourageant la transition vers des batteries moins chères, plus durables et plus sûres. Ce projet bénéficie du soutien d'un comité consultatif industriel composé principalement d'entreprises régionales, notamment les sociétés thuringiennes Mercer Rosenthal GmbH, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, IBU-tec advanced materials AG et EAS Batteries GmbH, ainsi que Petrochemical Holding GmbH, basée à Vienne.
Il vise également à soutenir les jeunes chercheurs en Thuringe. C'est pourquoi plusieurs doctorants prometteurs, actuellement en dernière année de doctorat dans les domaines de l'énergie et des batteries, participent au projet ThüNaBsE.
Lignine : Transformer un sous-produit en matière recyclable
La lignine est principalement composée d'hydrocarbures, qui peuvent être utilisés dans diverses applications chimiques, notamment comme matériau d'électrode pour les batteries. Dans le cadre de ce projet, cette matière première biosourcée sera utilisée pour l'électrode négative.
« Nous souhaitons éviter les métaux critiques tels que le lithium, le cobalt et le nickel dans la chaîne de valeur des batteries. Nous visons également à minimiser la teneur en fluor dans les électrodes et les électrolytes, et nous testons actuellement jusqu'à quel point nous pouvons l'éliminer. Cependant, le projet se concentre principalement sur la transformation de la lignine de haute qualité, disponible localement, en électrodes performantes pour nos batteries sodium-ion », explique Lukas Medenbach, chercheur à l'institut Fraunhofer IKTS d'Arnstadt, aux portes de la forêt de Thuringe.
La lignine utilisée dans ce projet est fournie par Mercer Rosenthal GmbH. Sous atmosphère inerte, elle est transformée thermiquement en carbone, lequel est ensuite transformé en électrodes.
« Nos partenaires de l'Institut de chimie technique et de chimie environnementale de l'Université Friedrich-Schiller, dirigés par le professeur Martin Oschatz, utilisent des procédés thermiques pour transformer la lignine en ce que nous appelons du carbone dur. La structure de ce carbone dur est particulièrement adaptée au stockage réversible des ions sodium. Le carbone dur présente des performances électrochimiques élevées, une bonne stabilité cyclique et un faible coût d'acquisition, surtout s'il est issu de matières premières durables », explique Cornelius Dirksen, collègue de Lukas Medenbach.
Des analogues du bleu de Prusse, composés de fer non toxiques, seront utilisés comme matériau pour l'électrode positive. Utilisée comme pigment depuis environ 200 ans, cette substance se caractérise par une bonne disponibilité des matières premières, une compatibilité environnementale et des propriétés de stockage des ions sodium.
Les premières cellules prototypes sont actuellement en cours de fabrication et d'essai au centre d'essais de batteries Fraunhofer IKTS d'Arnstadt, au centre Fraunhofer IKTS d'Hermsdorf et à l'université Friedrich Schiller d'Iéna. Des simulations multiphysiques réalistes complètent les travaux en laboratoire. Les résultats sont prometteurs : « Après 100 cycles de charge et de décharge, la cellule de laboratoire ne présente aucune dégradation significative. L'objectif est de démontrer 200 cycles de charge et de décharge pour la cellule complète de 1 Ah d'ici la fin du projet », explique Lukas Medenbach.
Une fois pleinement développée, la batterie pourrait être utilisée pour des applications de stockage stationnaires ou mobiles ne nécessitant pas de charge rapide. Les batteries sodium-ion à base de lignine conviennent aux applications mobiles à faible consommation d'énergie, comme par exemple les microvoitures (limitées à 45 km/h) ou les véhicules logistiques d'entrepôt tels que les chariots élévateurs. Une fois le projet achevé, les partenaires prévoient d'étendre la technologie et d'atteindre de nouveaux niveaux de maturité technologique grâce à un consortium plus important.