La « batterie » en béton développée au MIT offre désormais une puissance 10 fois supérieure

Une structure en arche à base de béton de carbone conducteur d'électrons (ec³) intègre des électrodes de supercondensateur pour une double fonctionnalité. Le prototype démontre à la fois la capacité de charge structurelle et la capacité d'alimenter une LED, l'intensité lumineuse variant selon la charge appliquée, soulignant le potentiel de surveillance en temps réel de l'état de la structure grâce au supercondensateur.Image reproduite avec l'aimable autorisation du MIT EC³ Hub.

Des supercondensateurs au carbone-ciment améliorés pourraient transformer le béton qui nous entoure en systèmes massifs de stockage d’énergie.

Le béton construit déjà notre monde, et il est désormais sur le point de l'alimenter en énergie. Fabriqué en combinant du ciment, de l'eau, du noir de carbone ultrafin (avec des particules nanométriques) et des électrolytes, le béton de carbone conducteur d'électrons (ec³, prononcé « e-c-cubed») crée un « nanoréseau » conducteur à l'intérieur du béton qui pourrait permettre aux structures du quotidien comme les murs, les trottoirs et les ponts de stocker et de restituer l'énergie électrique. Autrement dit, le béton qui nous entoure pourrait un jour servir de « batteries » géantes.

Comme le rapportent des chercheurs du MIT dans un nouvel article de PNAS , l'optimisation des électrolytes et des procédés de fabrication a permis d'augmenter considérablement  la capacité de stockage d'énergie des nouveaux supercondensateurs ec₃. En 2023, stocker suifissamment d’énergie pour répondre aux besoins quotidiens d’une maison moyenne aurait nécessité environ 45 mètres cubes d'ec₃ ^, soit à peu près la quantité de béton utilisée dans un sous-sol classique. Aujourd'hui, grâce à l'électrolyte amélioré, la même tâche peut être accomplie avec environ 5 mètres cubes, soit le volume d'un mur de sous-sol classique.

L'une des clés de la durabilité du béton réside dans le développement d'un béton multifonctionnel, intégrant des fonctionnalités telles que le stockage d'énergie,  l'auto-régénération et  la séquestration du carbone . Le béton est déjà le matériau de construction le plus utilisé au monde, alors pourquoi ne pas exploiter cette envergure pour créer d'autres avantages ?, s'interroge Admir Masic, auteur principal de la nouvelle étude,  codirecteur du MIT Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials Hub (EC³ Hub) et professeur associé de génie civil et environnemental (CEE) au MIT.

L'amélioration de la densité énergétique a été rendue possible par une meilleure compréhension du fonctionnement du réseau de noir de carbone nanométrique à l'intérieur de l'ec ³ et de ses interactions avec les électrolytes. Grâce à l'élimination séquentielle de fines couches de matériau ec ³ par faisceaux d'ions focalisés , suivie d'une imagerie haute résolution de chaque tranche au microscope électronique à balayage (technique appelée tomographie FIB-SEM), l'équipe du pôle EC³ et  du pôle MIT Concrete Sustainability a pu reconstruire le nanoréseau conducteur à la plus haute résolution jamais atteinte. Cette approche a permis à l'équipe de découvrir que le réseau est essentiellement une « toile » fractale entourant les pores de l'ec ³ , ce qui permet à l'électrolyte de s'infiltrer et au courant de circuler dans le système. 

« Comprendre comment ces matériaux s’« assemblent » à l’échelle nanométrique est essentiel pour atteindre ces nouvelles fonctionnalités », ajoute Masic.

Forte de sa nouvelle compréhension du nanoréseau, l'équipe a expérimenté différents électrolytes et leurs concentrations afin d'évaluer leur impact sur la densité de stockage d'énergie. Comme le souligne Damian Stefaniuk, premier auteur et chercheur au pôle EC³, « nous avons constaté qu'un large éventail d'électrolytes pourraient constituer des candidats viables pour l'EC³ ^. Cela inclut même l'eau de mer, ce qui pourrait en faire un matériau intéressant pour les applications côtières et marines, notamment comme structures de support pour les parcs éoliens offshore. »

Parallèlement, l'équipe a simplifié la méthode d'ajout d'électrolytes au mélange. Plutôt que de polymériser les électrodes ec ³  puis de les tremper dans l'électrolyte, l'électrolyte a été ajouté directement dans l'eau de mélange. La pénétration de l'électrolyte n'étant plus un obstacle, l'équipe a pu mouler des électrodes plus épaisses, stockant ainsi davantage d'énergie.

L'équipe a obtenu les meilleures performances en passant aux électrolytes organiques, notamment ceux combinant des sels d'ammonium quaternaire (présents dans des produits courants comme les désinfectants) avec de l'acétonitrile, un liquide conducteur transparent souvent utilisé dans l'industrie. Un mètre cube de cette version d'ec ³ (environ la taille d'un réfrigérateur) peut stocker plus de 2 kilowattheures d'énergie. C'est à peu près suffisant pour alimenter un réfrigérateur pendant une journée.

Bien que les batteries conservent une densité énergétique plus élevée, l’ec ³  peut en principe être incorporé directement dans une large gamme d’éléments architecturaux — des dalles et murs aux dômes et voûtes — et durer aussi longtemps que la structure elle-même.

« Les Romains de l'Antiquité ont fait de grands progrès dans la construction en béton. Des structures massives comme le Panthéon subsistent encore aujourd'hui sans armatures. Si nous poursuivons leur démarche alliant science des matériaux et vision architecturale, nous pourrions être à l'aube d'une nouvelle révolution architecturale avec des bétons multifonctionnels comme l'ec ³ », propose Masic.

S'inspirant de l'architecture romaine, l'équipe a construit une arche miniature ec ³ pour illustrer la synergie entre forme structurelle et stockage d'énergie. Fonctionnant à 9 volts, l'arche supportait son propre poids et une charge supplémentaire tout en alimentant une lampe LED.

Cependant, un phénomène unique s'est produit lorsque la charge sur l'arche a augmenté : la lumière a vacillé. Cela est probablement dû à l'impact des contraintes sur les contacts électriques ou la distribution des charges. « Il pourrait s'agir d'une sorte de capacité d'autosurveillance. Si l'on considère une arche ec ³  à l'échelle architecturale, sa puissance peut fluctuer lorsqu'elle est soumise à un facteur de stress comme des vents violents. Nous pourrions utiliser cela comme un signal indiquant quand et dans quelle mesure une structure est soumise à des contraintes, ou surveiller son état général en temps réel », envisage Masic.

Les dernières avancées de la technologie ec³ la rapprochent de l'évolutivité en conditions réelles. Elle a déjà été utilisée pour  chauffer des dalles de trottoir à Sapporo, au Japon, grâce à ses propriétés de conduction thermique, représentant une alternative potentielle au salage.

« Grâce à ces densités énergétiques plus élevées et à sa valeur démontrée dans un champ d'application plus large, nous disposons désormais d'un outil puissant et flexible qui peut nous aider à relever un large éventail de défis énergétiques persistants », explique Stefaniuk. « L'une de nos principales motivations était de contribuer à la transition vers les énergies renouvelables. L'énergie solaire, par exemple, a considérablement progressé en termes d'efficacité. Cependant, elle ne peut produire de l'électricité que lorsque l'ensoleillement est suffisant. La question est donc la suivante : comment répondre à ses besoins énergétiques la nuit ou par temps nuageux ? »

Franz-Josef Ulm, codirecteur du pôle EC³ et professeur au CEE, poursuit : « La réponse est qu'il faut trouver un moyen de stocker et de libérer l'énergie. Cela impliquait généralement une batterie, qui utilise souvent des matériaux rares ou nocifs. Nous pensons que l'EC³ ^est  une alternative viable, permettant à nos bâtiments et infrastructures de répondre à nos besoins de stockage d'énergie. » L'équipe travaille sur des applications telles que des parkings et des routes permettant de recharger des véhicules électriques, ainsi que des maisons entièrement autonomes.

« Ce qui nous enthousiasme le plus, c'est d'avoir utilisé un matériau aussi ancien que le béton et d'avoir démontré qu'il permettait des résultats totalement inédits », explique James Weaver, co-auteur de l'article, professeur associé de technologie de conception, de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Cornell et ancien chercheur du pôle EC³. « En combinant les nanosciences modernes à un élément fondamental de la civilisation, nous ouvrons la voie à des infrastructures qui non seulement soutiennent nos vies, mais les alimentent. »

https://news.mit.edu/2025/concrete-battery-now-packs-ten-times-power-1001