Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie

Une batterie de bactéries pour de meilleures batteries

Une batterie de bactéries pour de meilleures batteries

Les organismes vivants sont sources d’inspiration depuis des siècles : de Léonard de Vinci à l’inventeur du Velcro®. L’étude présentée ici s’inscrit dans cette continuité. Elle applique cette démarche au stockage électrochimique de l’énergie avec une légère différence : il ne s’agit plus de s’inspirer de la nature mais d’apprendre à en tirer directement bénéfice. Un groupe de chercheurs affilié au RS2E a ainsi utilisé des bactéries pour produire des coques d’oxyde de fer utilisables comme matériau d’électrode.

 

             La technologie Li-ion repose sur une chimie riche et variée liée à une large gamme de matériaux qui peuvent être utilisés comme électrodes positives (LCO, LFP, NMC, LMO…) et négatives (C, Sn, Si, LTO…). Actuellement, la plupart de ces matériaux d’électrode commerciaux sont préparés par voie céramique (T > 400 °C) avec de longues périodes de chauffe (> 24h). Ils ont donc un coût énergétique élevé. En réaction, la communauté scientifique étudie de plus en plus des voies de synthèse durables (ex : « chimie douce »). En France, ces voies sont étudiées dans le cadre de notre réseau de recherche, le RS2E, au travers de la thématique « stockage éco-compatible ».

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             C'est dans cette optique qu'une équipe de scientifiques (parmi lesquels les membres du RS2E : Jennyfer Miot, Nadir Recham, Dominique Larcher et Jean-Marie Tarascon du LRCS, ainsi que François Guyot et Jessica Brest de l'IMPMC) a étudié la synthèse d’un oxyhydroxyde de fer par voie bactérienne et à température ambiante. Leurs résultats sont publiés dans Energy & Environmental Science.

La bactérie utilisée, Acidovorax sp., mesure 1 à 2 µm de long et 0,2 µm de large. Par son métabolisme elle peut remplir son périplasme, un espace de 40 nm d’épaisseur situé entre les deux parois de sa membrane, avec des cristaux de g-FeOOH (la lépidocrocite, un oxyhydroxyde de fer solide cristallisé). Il est ensuite possible de transformer la lépidocrocite présente dans le périplasme en hématite par un chauffage court (< 1h) à 700°C qui élimine également la bactérie (fig. 1). Le choix de l’hématite (α-Fe2O3) est motivé par sa forte capacité à stocker des charges électriques (1000 mAh/g) qui en fait un bon modèle expérimental.

© Travail des chercheurs
Fig. 1: Bactéries après chauffage. Les flèches indiquent quelques coques ouvertes, ce qui permet d'observer leur forme creuseRS2E/RSC).

La poudre d’hématite ainsi produite est organisée sous forme de multiples coques creuses reprenant la forme du périplasme des bactéries, qui ont agi comme des moules (fig. 2). Les chercheurs ont utilisé le terme « bactériomorphes » pour désigner ces coques.

© Travail des chercheurs
Fig. 2: Bactériomorphe vue en coupe. On remarque les grains nanométriques d'hématite là où était le périplasme de la bactérieRS2E/RSC).

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             Cette organisation particulière confère-t-elle des propriétés intéressantes à l’hématite ?

Pour le découvrir, elle a été comparée à des bactériomorphes d'hématite détexturés (broyés pour détruire leur organisation en coques creuses) et à de l’hématite abiotique (synthétisée par voie chimique « classique »). Tous les échantillons ont été mélangés avec du carbone (à hauteur de 10% de la masse totale) pour améliorer leur conductivité électrique.

Les résultats obtenus sont les suivants : après 10 cycles de charges-décharges à vitesse lente, 91% de la capacité initiale à stocker des charges demeure. Elle n’est que de 18% pour les échantillons abiotiques, et de 8% pour ceux qui sont détexturés (fig. 3). Encore plus surprenant, les coques conservent cette aptitude de stockage sur une vaste gamme de vitesses de charge/décharge. C’est pourquoi, si l’on fait varier cette vitesse de charge-décharge d’un facteur 1000 (entre C/100 et 10C), 70% de l’aptitude initiale à stocker des charges est conservée. Cette capacité de stockage prometteuse s’explique par l’organisation micrométrique des coquilles bactériomorphes qui confère une meilleure stabilité mécanique à l’électrode et par une porosité qui permet un meilleur contact avec l’électrolyte.

© Travail des chercheurs
Fig. 3: Comparaison des performances à différents régimes des bactériomorphes d'hématite et de l'hématite détexturée. A droite, on remarque l'organisation différente des deux échantillonsRS2E/RSC).

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             À ce jour, ces résultats comptent parmi les meilleurs obtenus avec de l’hématite. Ils ont permis aux chercheurs de mettre l’accent sur l’obtention de propriétés électrochimiques remarquables liée à une organisation originale du matériau et sur une voie de synthèse moins coûteuse en énergie.

Par ailleurs, il est bon de noter que l’utilisation à grande échelle de bactéries comme moyen de production est déjà maîtrisée, par exemple pour produire de l’insuline ou de glutamate. On compte ainsi 2 millions de tonnes de glutamate produites par an de cette façon. Pour aller plus loin dans leurs recherches, les scientifiques veulent maintenant dépasser le stade de l’étude en produisant par voie bactérienne des matériaux d’électrode positive directement utilisables dans des systèmes Li-ion tels que les phosphates doubles (formule générale AMPO4 où A est un métal alcalin – Li, Na… – et M un métal 3d – Fe, Mn…).

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Références

Biomineralized α-Fe2O3: Texturation and electrochemical reaction with Li. J.Miot, N.Recham, D.Larcher, F.Guyot, J. Brest et J-M. Tarascon

Energy & Environmental Science, Accepted Manuscript, 7/11/2013, DOI : 10.1039/c3ee41767k.
http://dx.doi.org/10.1039/c3ee41767k