Un matériau miracle pour les batteries de demain : technologie des batteries au graphène pour l'avenir du stockage d'énergie

La transition vers des sources d'énergie renouvelables comme le solaire et l'éolien nécessite de nouvelles méthodes de stockage de l'énergie. Les nuages peuvent obscurcir le soleil pendant plusieurs jours d'affilée, et le solaire est totalement indisponible la nuit ; le vent peut être encore plus imprévisible. Le stockage permet de surmonter les écarts de génération inévitables et de couvrir les pics locaux de consommation d'énergie.

Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui sont incroyables, mais elles ne peuvent se charger et se décharger que jusqu'à une certaine vitesse et ont une durée de vie limitée. De plus, l'extraction du lithium de la terre est complexe et comporte ses propres impacts environnementaux. Aujourd'hui, les États-Unis produisent moins de 1 % du lithium mondial, ce qui en fait un potentiel obstacle à la production.

Supercondensateurs, qui peuvent se charger/se décharger à un rythme beaucoup plus rapide et à une fréquence plus élevée que les batteries lithium-ion, sont désormais utilisés pour compléter le stockage actuel des batteries pour des entrées et sorties d'énergie rapides. La technologie des batteries au graphène—ou les supercondensateurs à base de graphène—peut être une alternative aux batteries au lithium dans certaines applications.

Le grand avantage des supercondensateurs est leur capacité à fournir une puissance élevée. L'inconvénient est une faible densité énergétique totale. Ces propriétés peuvent sembler opposées, mais considérons la définition des deux termes :

Bien que l'unité au numérateur soit la même, ce sont deux quantités distinctes. La puissance est la capacité à libérer une quantité d'énergie sur une période de temps spécifique, tandis que la densité énergétique est la capacité à stocker une quantité spécifique d'énergie, indépendamment de la période de temps.

Des valeurs élevées pour les deux seraient idéales, mais les supercondensateurs ont généralement une capacité de décharge à haute puissance et une faible densité énergétique. Ainsi, bien qu'un supercondensateur puisse produire une énorme rafale d'énergie instantanée, il ne peut pas maintenir cette production (ou un débit inférieur) aussi longtemps qu'une batterie lithium-ion comparable. Les applications actuelles utilisent souvent un supercondensateur pour équilibrer des entrées ou dépenses d'énergie massives (par exemple, le freinage régénératif et l'accélération rapide), tandis que les besoins énergétiques à plus long terme sont pris en charge par des batteries.

Le défi consiste à augmenter la densité énergétique des supercondensateurs tout en préservant une excellente capacité de puissance instantanée. La réponse réside dans le matériau miracle, le graphène.

Les supercondensateurs utilisent couramment des couches d'anode et de cathode fabriquées à partir de feuilles métalliques enduites de carbone activé et séparées par une membrane semi-perméable contenant une solution électrolytique. Les couches de ce sandwich carbone/membrane sont enroulées ou empilées dans un boîtier de condensateur, leur permettant de stocker des charges via le mouvement des ions dans l'électrolyte.

Le charbon actif peut être rendu très fin dans ce rôle, de l'ordre de 1/10 mm d'épaisseur, mais possède une surface spécifique élevée : plusieurs centimètres carrés pour chaque particule de 0,1 mm. Le graphène, cependant, se présente sous forme de feuilles de molécules 2D d'une épaisseur d'un atome, avec une surface spécifique similaire à celle du charbon actif. Il peut être déployé en une couche extrêmement fine pour une disposition ultra-dense de conducteurs. Le graphène est un excellent conducteur, ce qui signifie une perte de chaleur minimale et, théoriquement, une meilleure transmission de puissance que même les supercondensateurs en charbon actif.

Le problème réside dans la fabrication de condensateurs en graphène à grande échelle. Cependant, compte tenu des promesses offertes par le graphène, les chercheurs travaillent sur ce type de mise en œuvre à huis clos. Bien que le graphène ne puisse pas éliminer complètement les batteries lithium-ion, les améliorations des supercondensateurs utilisant le graphène pourraient aider ces dispositifs de stockage d'énergie à devenir plus denses en énergie et plus efficaces.

Le graphène n'est pas la seule option de stockage avancée en cours de développement. L'utilisation de nanotubes de carbone — une autre structure de molécules de carbone en forme de tubes longs, par opposition aux feuilles de graphène — a également été proposée pour le rôle de stockage d'énergie. Les sphères de graphène et le graphène courbé/chiffonné sont d'autres possibilités à base de carbone pour le stockage d'énergie.

Bien que la capacité de fournir une grande quantité d'énergie soit une bonne chose, elle doit être contrôlée pour une utilisation appropriée. Les transistors SiC peuvent être utilisés dans ce rôle. En outre, les technologies de mesure de courant doivent être mises en œuvre pour garantir une application correcte de l'énergie et de la puissance.

Il est intéressant de noter que la production avancée de carbone sous ses diverses formes, ainsi que du silicium (et la combinaison des deux), semble représenter l'avenir de la gestion de l'énergie. La difficulté actuelle réside dans la transformation d'idées qui fonctionnent en théorie et/ou à petite échelle en produits quotidiens capables d'améliorer notre vie. Une fois ces techniques perfectionnées et mises en œuvre, nous pouvons envisager un avenir plus économe en énergie avec des appareils encore plus performants.