Une nouvelle pile à combustible pourrait permettre l'aviation électrique

Ces appareils pourraient contenir trois fois plus d'énergie par livre que les meilleures batteries de véhicules électriques actuelles, offrant une option légère pour alimenter les camions, les avions ou les navires.

David L. Chandler | Actualités du MIT

Les batteries atteignent leurs limites en termes de capacité de stockage d'énergie pour un poids donné. Cela constitue un obstacle majeur à l'innovation énergétique et à la recherche de nouvelles solutions pour alimenter les avions, les trains et les navires. Des chercheurs du MIT et d'autres universités ont trouvé une solution qui pourrait contribuer à l'électrification de ces systèmes de transport.

Au lieu d'une batterie, le nouveau concept est une sorte de pile à combustible, similaire à une batterie, mais permettant un rechargement rapide. Dans ce cas, le combustible est du sodium métallique liquide, un produit peu coûteux et largement disponible. L'autre face de la pile est constituée d'air ordinaire, source d'atomes d'oxygène. Entre les deux, une couche de céramique solide sert d'électrolyte, permettant le passage libre des ions sodium, et une électrode poreuse orientée vers l'air favorise la réaction chimique du sodium avec l'oxygène pour produire de l'électricité.

Lors d'une série d'expériences avec un prototype, les chercheurs ont démontré que cette cellule pouvait transporter plus de trois fois plus d'énergie par unité de poids que les batteries lithium-ion utilisées dans la quasi-totalité des véhicules électriques actuels. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Joule , dans un article rédigé par les doctorants du MIT Karen Sugano, Sunil Mair et Saahir Ganti-Agrawal ; le professeur de science et d'ingénierie des matériaux Yet-Ming Chiang ; et cinq autres personnes.

« On s'attend à ce que les gens trouvent cette idée complètement folle », explique Chiang, professeur de céramique à Kyocera. « Si ce n'était pas le cas, je serais un peu déçu, car si les gens ne trouvent pas une idée complètement folle au premier abord, elle ne sera probablement pas si révolutionnaire. »

Et cette technologie semble avoir le potentiel d'être révolutionnaire, suggère-t-il. En particulier, pour l'aviation, où le poids est crucial, une telle amélioration de la densité énergétique pourrait constituer la percée qui rendrait enfin le vol électrique réalisable à grande échelle.

« Le seuil réellement nécessaire pour une aviation électrique réaliste est d'environ 1 000 wattheures par kilogramme », lance Chiang. Les batteries lithium-ion des véhicules électriques actuels plafonnent à environ 300 wattheures par kilogramme, ce qui est loin d'être suffisant. Même à 1 000 wattheures par kilogramme, précise-t-il, cela ne suffirait pas à permettre des vols transcontinentaux ou transatlantiques.

Cela reste encore hors de portée de toute chimie de batterie connue, mais Chiang affirme qu'atteindre 1 000 watts par kilogramme serait une technologie habilitante pour l'aviation électrique régionale, qui représente environ 80 % des vols intérieurs et 30 % des émissions de l'aviation.

Cette technologie pourrait également être un atout pour d'autres secteurs, notamment les transports maritime et ferroviaire. « Tous ces secteurs nécessitent une densité énergétique très élevée et un faible coût », explique-t-il. « C'est ce qui nous a attirés vers le sodium métallique. »

De nombreuses recherches ont été consacrées au développement de batteries lithium-air ou sodium-air au cours des trois dernières décennies, mais leur recharge complète s'est avérée difficile. « On connaît depuis longtemps la densité énergétique des batteries métal-air, et c'est un atout majeur, mais elle n'a jamais été concrétisée », souligne Chiang.

En utilisant le même concept électrochimique de base, mais en transformant la pile à combustible en une pile à combustible plutôt qu'en une batterie, les chercheurs ont pu exploiter les avantages d'une densité énergétique élevée de manière pratique. Contrairement à une batterie, dont les matériaux sont assemblés une seule fois et enfermés dans un conteneur, avec une pile à combustible, les matériaux porteurs d'énergie entrent et sortent.

L'équipe a produit deux versions différentes d'un prototype de laboratoire du système. Dans l'une, appelée cellule H, deux tubes de verre verticaux sont reliés par un tube central contenant un électrolyte céramique solide et une électrode à air poreuse. Du sodium métallique liquide remplit le tube d'un côté, tandis que l'air circule de l'autre côté, fournissant l'oxygène nécessaire à la réaction électrochimique au centre, laquelle consomme progressivement le sodium combustible. L'autre prototype utilise une conception horizontale, avec un plateau d'électrolyte contenant le sodium liquide. L'électrode à air poreuse, qui facilite la réaction, est fixée au fond du plateau. 

Des tests utilisant un flux d'air avec un niveau d'humidité soigneusement contrôlé ont produit un niveau de plus de 1 500 wattheures par kilogramme au niveau d'une « pile » individuelle, ce qui se traduirait par plus de 1 000 wattheures au niveau du système complet, explique Chiang.

Les chercheurs envisagent d'utiliser ce système dans un avion. Des blocs de combustible contenant des piles, semblables à des plateaux-repas dans une cafétéria, seraient insérés dans les piles à combustible ; le sodium métallique contenu dans ces blocs subirait une transformation chimique pour fournir l'énergie. Un flux de sous-produit chimique serait alors libéré et, dans le cas d'un avion, il serait rejeté par l'arrière, un peu comme les gaz d'échappement d'un réacteur.

Mais il y a une différence majeure : il n'y aurait pas d'émissions de dioxyde de carbone. Au lieu de cela, les émissions, constituées d'oxyde de sodium, absorberaient le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Ce composé se combinerait rapidement à l'humidité de l'air pour former de l'hydroxyde de sodium – un produit couramment utilisé comme déboucheur – qui se combine facilement au dioxyde de carbone pour former un solide, le carbonate de sodium, qui à son tour forme du bicarbonate de sodium, aussi appelé bicarbonate de soude.

« Il y a une cascade naturelle de réactions qui se produit lorsqu'on utilise du sodium métallique », met en avant Chiang. « Tout se produit spontanément. Il n'y a rien à faire pour que cela se produise, il suffit de piloter l'avion. »

De plus, si le produit final, le bicarbonate de sodium, se retrouve dans l’océan, il pourrait contribuer à désacidifier l’eau, contrecarrant ainsi un autre des effets néfastes des gaz à effet de serre.

L'utilisation d'hydroxyde de sodium pour capturer le dioxyde de carbone a été proposée comme moyen de réduire les émissions de carbone, mais en soi, ce n'est pas une solution économique car le composé est trop cher. « Mais ici, c'est un sous-produit », explique Chiang, donc c'est essentiellement gratuit, produisant des avantages environnementaux sans coût.

Il est important de noter que la nouvelle pile à combustible est intrinsèquement plus sûre que de nombreuses autres batteries, explique-t-il. Le sodium métallique est extrêmement réactif et doit être bien protégé. Comme pour les batteries au lithium, le sodium peut s'enflammer spontanément s'il est exposé à l'humidité. « Lorsqu'on utilise une batterie à très haute densité énergétique, la sécurité est toujours une préoccupation, car la rupture de la membrane qui sépare les deux réactifs peut entraîner un emballement de la réaction », explique Chiang. Mais dans cette pile à combustible, l'un des côtés est constitué uniquement d'air, « dilué et limité. Il n'y a donc pas deux réactifs concentrés l'un à côté de l'autre. Si l'on recherche une densité énergétique extrêmement élevée, il est préférable d'utiliser une pile à combustible plutôt qu'une batterie pour des raisons de sécurité. »

Bien que le dispositif n'existe pour l'instant qu'à l'état de petit prototype monocellulaire, Chiang affirme que le système devrait être assez simple à déployer à des dimensions pratiques pour une commercialisation. Les membres de l'équipe de recherche ont déjà créé une société, Propel Aero, pour développer cette technologie. L'entreprise est actuellement hébergée dans l'incubateur de startups du MIT,  The Engine .

Produire suffisamment de sodium métal pour permettre une mise en œuvre mondiale et à grande échelle de cette technologie devrait être réalisable, car ce matériau a déjà été produit à grande échelle. Lorsque l'essence au plomb était la norme, avant son élimination progressive, le sodium métal était utilisé pour fabriquer le plomb tétraéthyle utilisé comme additif, et il était produit aux États-Unis à une capacité de 200 000 tonnes par an. « Cela nous rappelle que le sodium métal était autrefois produit à grande échelle et manipulé et distribué en toute sécurité aux États-Unis », assure Chiang.

De plus, le sodium provient principalement du chlorure de sodium, ou sel. Il est donc abondant, largement distribué dans le monde et facilement extrait, contrairement au lithium et aux autres matériaux utilisés dans les batteries de véhicules électriques d'aujourd'hui.

Le système envisagé utiliserait une cartouche rechargeable, remplie de sodium métallique liquide et scellée. Une fois épuisée, elle serait renvoyée à une station de recharge et remplie de sodium frais. Le sodium fond à 98 °C, juste en dessous du point d'ébullition de l'eau ; il est donc facile de le chauffer jusqu'à son point de fusion pour recharger les cartouches.

Dans un premier temps, le projet consiste à produire une pile à combustible de la taille d'une brique capable de fournir environ 1 000 wattheures d'énergie, soit suffisamment pour alimenter un drone de grande taille, afin de valider le concept sous une forme pratique, notamment en agriculture. L'équipe espère pouvoir réaliser une telle démonstration d'ici un an.

Sugano, qui a mené une grande partie des travaux expérimentaux dans le cadre de sa thèse de doctorat et qui travaillera désormais au sein de la start-up, explique que l'importance de l'humidité dans le processus a été une découverte clé. En testant le dispositif avec de l'oxygène pur, puis avec de l'air, elle a constaté que le taux d'humidité de l'air était crucial pour l'efficacité de la réaction électrochimique.

L'air humide permettait au sodium de produire ses produits de décharge sous forme liquide plutôt que solide, facilitant ainsi leur élimination par le flux d'air dans le système. « L'essentiel était de pouvoir former ce produit de décharge liquide et de l'éliminer facilement, contrairement à la décharge solide qui se formerait en conditions sèches », explique-t-elle.

Ganti-Agrawal souligne que l'équipe s'est inspirée de divers sous-domaines de l'ingénierie. Par exemple, de nombreuses recherches ont été menées sur le sodium haute température, mais aucune sur un système à humidité contrôlée. « Nous nous inspirons de la recherche sur les piles à combustible pour la conception de notre électrode, de recherches plus anciennes sur les batteries haute température ainsi que de recherches naissantes sur les batteries sodium-air, et nous les avons combinées », ce qui a permis « l'énorme gain de performance » obtenu par l'équipe, explique-t-il.

L'équipe de recherche comprenait également Alden Friesen, stagiaire d'été au MIT et étudiant au lycée Desert Mountain de Scottsdale, en Arizona ; Kailash Raman et William Woodford de Form Energy à Somerville, dans le Massachusetts ; Shashank Sripad d'And Battery Aero en Californie, et Venkatasubramanian Viswanathan de l'Université du Michigan. Ces travaux ont été soutenus par l'ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures et la National Science Foundation, et ont utilisé les installations de MIT.nano.

https://news.mit.edu/2025/new-fuel-cell-could-enable-electric-aviation-0527