Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs
Le stockage éco-compatible
Responsable : Matthieu Becuwe (LRCS)

Les besoins en accumulateurs couvrent un vaste domaine allant de l’alimentation des technologies « nomades » à celle des véhicules électriques en passant par la régulation des réseaux électriques interconnectés à des sources d’énergies électriques intermittentes. Ces deux derniers usages apparaissent d’ailleurs de première importance dans le plan de lutte contre le réchauffement climatique, l’un visant à une diminution de la part des rejets de CO2 anthropique, le second entrant dans le cadre du développement des énergies renouvelables. Mais face à une production d’accumulateurs estimée à plusieurs milliards d’unités par an, on comprend qu’il faille aujourd’hui tenir compte de l’empreinte environnementale de ces technologies elles-mêmes d’autant qu’elles reposent exclusivement sur l’exploitation de la réactivité électrochimique des métaux, lesquels sont limités en quantité et adossés à une chimie énergivore. La directive européenne 2006/66/EC interpelle d’ailleurs sur ces aspects en prônant l’éco-conception ainsi que des objectifs affichés en matière de recyclage.

La mission de cette thématique d’avant-garde s’articule autour de trois volets. L’activité de la sous-thématique Bio-minéralisation, Synthèse Biomimétique (D. Larcher, LRCS) vise à développer des moyens de synthèse alternatifs pour les matériaux inorganiques par la mise en œuvre d’une ingénierie biologique. Celle impliquant le Redox organique (P. Poizot, IMN) se concentre sur l’intégration d’une chimie substitutive basée sur l’usage des substances organiques électroactives, les composés organiques étant plus facilement recyclables mais surtout possiblement biosourçables. Enfin, de nouvelles méthodologies pour le recyclage des batteries, la récupération des métaux et l’éco-conception sont également à l’étude au sein de la sous-thématique Chimie du recyclage - ACV (P.-X. Thivel, LEPMI).

  • Bio-minéralisation, Synthèse Biomimétique : Cette sous thématique a pour principaux objectifs de tirer bénéfice des potentialités des mécanismes de minéralisation, de reconnaissance et d’organisation mis en œuvre par les organismes tels que virus et bactéries. Dans un premier temps, nous avons focalisé notre attention sur la possibilité d’organiser des nanoparticules par l’intermédiaire de virus dont les protéines de surface (capside) ont été génétiquement modifiées de manière à exprimer une affinité spécifique pour le matériau considéré. Ceci a été appliqué avec succès à Co3O4 nanométrique (4 nm), avec des propriétés électrochimiques (réactions de conversion) fortement améliorées en terme de cohésion de l’électrode [Energy & Environmental Science, 5, 9936-9943(2012)]. Cependant, la mise en œuvre à grande échelle de cette stratégie se heurte aux faibles rendements inhérents à l’amplification virale, ce qui nous a conduits l’utilisation de bactéries. Des bactéries ferroxydantes, dans des conditions optimisées, sont en mesure d’oxyder Fe2+ et de bio-minéraliser des nanoparticules de FeOOH dans leur paroi (espace périplasmique). L’épaisseur de la biominéralisation est donc intrinsèquement contrôlée par l’épaisseur de cet espace (40 nm), et sa minéralisation complète débouche sur la formation de FeOOH présentant une texture en bâtonnets creux. Le chauffage sous air à 700°C de ces assemblages bactéries-minéraux conduit à la formation de particules de a-Fe2O3 nanométriques (20 nm) organisées selon la texture originale (coques vides), ce qui leur confère une tenue en cyclage fortement améliorée par rapport à des particules de même taille mais non organisées. 

Cet exemple illustre très bien les avancées que permet l’utilisation de ces microorganismes et de leur arsenal enzymatique pour la préparation de matériaux à haute valeur ajoutée et à performances fortement améliorées. Ceci nous incite actuellement à appliquer cette stratégie pour de nombreux autres matériaux et/ou composites au sein du RS2E.   

  • Redox organique : L’objectif général de cette activité de recherche vise à développer les potentialités chimiques et technologiques qu’offrent les substances organiques rédox pour aboutir in fine à des solutions de stockages électrochimiques innovants à faible impact environnemental. Le champ des possibles est prometteur, car, si l’idée d’utiliser des structures organiques comme matériaux d’électrodes n’est pas chose nouvelle, les données accumulées en la matière restent finalement limitées comparativement aux composés inorganiques qui ont bénéficié de décennies de recherche. Par souci d’efficacité, différentes approches sont donc menées tant au niveau du design de l’entité rédox elle-même que du choix de sa mise en forme. Concrètement, une attention particulière est portée sur la détermination des paramètres clés qui gouvernent les performances électrochimiques d’une structure donnée. Sur la base de données expérimentales couplées à différentes méthodologies de calcul DFT, plusieurs familles organiques ont ainsi été identifiées et évaluées parmi lesquelles certaines structures carbonylées, qui, suivant l’environnement fonctionnel, permettent d’accéder à une électroactivité modulable [Energy & Environmental Science, 4, 2003 (2011)]. Ensuite, en fonction de la technologie de cellule choisie, ces structures organiques électroactives peuvent être mises en forme de différentes manières (confinement, greffage sur substrat ou assemblage conventionnel). Pour les structures les plus prometteuses, une attention particulière s’est aussi portée sur les méthodologies de synthèse et sur la nature des substrats utilisés de manière à intégrer au plus tôt les bases d’une éco-conception.
     
  • Chimie du recyclage - ACV : Un des enjeux important du secteur de l’énergie est la question de l’accès aux ressources et de leur exploitation sur le long terme, ainsi que des impacts qui en résultent. Cela concerne aussi bien les ressources énergétiques, les ressources en matières premières que l’impact de leur utilisation sur l’environnement (émission de polluants, production de déchets ...) et sur la population (enjeux sanitaires). C’est pourquoi l’éco-conception et le recyclage doivent être pris en compte dès aujourd’hui dans le développement des procédés électrochimiques de conversion et de stockage de l’énergie. Cet axe, en cours de développement dans le cadre du réseau RS2E, a pour objectif i) de développer et d’optimiser des procédés de récupération et de recyclage des matériaux d’intérêts énergétique et stratégique et ii) d’appliquer les méthodes de l’éco-conception aux batteries de demain. Cet enjeu s’inscrit donc naturellement dans le cadre d’une sécurisation des filières d’approvisionnement et plus largement de l’indépendance énergétique.

C’est dans ce cadre que se situent les recherches que nous comptons mener et structurer en les axant notamment sur des procédés hydro-métallurgiques les plus respectueux de l’environnement.  Actuellement des études sont menées sur la récupération et la purification du lithium en raison de ses réserves limitées et du problème géopolitique qu’il engendre. Les études futures devront prendre en compte les nouveaux matériaux et les nouvelles technologies émergentes dans le domaine des batteries et intégrer des approches d’éco-conception dans le cadre d’un développement durable.