Dans une chambre étanche, on place deux électrodes. Entre elles, on applique un champ électrique suffisant pour faire passer l’hélium à l’état de plasma. Ce phénomène produit une émission lumineuse violette qu’on voit ici. Image: Guitron Alejandra
Des chimistes et des physiciens ont trouvé la recette pour fabriquer à moindre coût une batterie aux ions de lithium plus sécuritaire et plus verte.
Les espoirs de la transition énergétique reposent en grande partie sur les batteries aux ions de lithium. Leur capacité à stocker l’énergie pourrait propulser la production d’électricité par des sources renouvelables irrégulières comme le vent et le soleil. Mais il y a une ombre au tableau : leur conception nécessite des produits néfastes pour la santé, la sécurité et l’environnement.
Pour comprendre la source du problème, revenons à leur fonctionnement. « Le but des batteries, c’est de faire des cycles de charge-décharge le plus grand nombre de fois possible », résume Steeve Rousselot, chercheur au Département de chimie de l’Université de Montréal. Une batterie possède deux électrodes. L’une d’elles est bourrée d’ions de lithium. Au moment de fournir de l’énergie, ces ions rejoignent l’autre électrode en passant par un liquide appelé électrolyte. Quand la batterie est rechargée, ces ions parcourent le chemin inverse, toujours à travers l’électrolyte.
Dans chaque électrode, un produit maintient ensemble les divers composants, un peu comme l’œuf qui lie les ingrédients d’une pâtisserie. Or, règle générale, ce liant est un polymère à base de pétrole dissous dans un solvant organique nocif pour la santé. Quant à l’électrolyte de la batterie, il est généralement constitué d’un solvant organique inflammable et difficile à recycler.
D’autres solutions moins coûteuses, plus sécuritaires et plus vertes existent déjà. Les batteries aux ions de lithium dites aqueuses, par exemple, fonctionnent avec un électrolyte à base d’eau. Pour ce qui est des électrodes, leur liant peut être un produit beaucoup moins polluant issu des résidus forestiers : la carboxyméthylcellulose (CMC).
Le hic ? Ces deux options ne sont pas compatibles, car la CMC est soluble dans l’eau. Si une électrode formée grâce à ce liant fonctionne bien avec un électrolyte à base d’un solvant organique, elle se décompose au contact d’un électrolyte à base d’eau. Du moins, elle se décomposait jusqu’à ce que des chercheurs de l’Université de Montréal trouvent la recette pour l’intégrer dans une batterie aqueuse. Tant leur procédé que leur produit ont fait l’objet d’une demande de brevet en juin 2019, puis d’une publication dans ACS Sustainable Chemistry and Engineering en février 2020.
Steeve Rousselot et ses collègues du Laboratoire de chimie et électrochimie des solides s’échinaient à réduire l’impact environnemental des batteries quand ils ont eu vent de travaux qui avaient le potentiel de les aider. Ils n’ont pas eu besoin d’envoyer un courriel ou de passer un appel. Ils n’ont eu qu’à marcher jusque chez leur voisin, le Département de physique : on y expérimentait l’effet du plasma sur du bois et de la cellulose.
Un gaz se transforme en un plasma lorsqu’on le soumet à une tension électrique. La matière devient instable et change d’état, comme c’est le cas dans une aurore boréale ou un éclair. « Avec cette énergie importante, on peut former certaines liaisons entre atomes et molécules qui seraient très difficiles à faire en chimie classique, et ainsi créer de nouveaux matériaux », souligne Jacopo Profili, physicien et auteur principal de l’article.
La couche composite, déposée sur le collecteur assurant la conduction, contient le phosphate de fer lithié, qui emmagasine les ions de lithium, du noir de carbone et la fameuse CMC. La membrane de plasma protège la couche composite de la dissolution au contact de l’eau tout en laissant passer les ions de lithium. Graphique: Agence Impakt Scientifik
Une électrode conçue à l’aide de la CMC est donc placée dans un appareil à l’intérieur duquel un gaz, l’hélium ou l’azote, est transformé en un plasma. Un liquide, l’hexaméthyldisiloxane, est diffusé à l’intérieur. Les fragments de molécules instables alors créés interagissent avec la surface de l’électrode pendant quelques dizaines de minutes pour y former une mince couche protectrice, de l’ordre du nanomètre, aux propriétés hydrophobes. « Elle empêche la dissolution de l’électrode dans une batterie aqueuse », mentionne Steeve Rousselot, coauteur de l’article. Et même si ce revêtement repousse l’eau, « il permet quand même le passage des ions de lithium pour charger et décharger la batterie », ajoute-t-il.
Bonne nouvelle : l’équipement pour obtenir le plasma s’intègre facilement à une chaîne de production industrielle. Quant à la batterie, sa densité d’énergie n’est pas suffisante pour des appareils mobiles ou des véhicules, mais elle se révèle tout indiquée pour stocker l’énergie d’éoliennes ou de panneaux solaires. Son avantage est de taille : elle ne risque pas de prendre feu ou d’exploser ni d’entraîner le déversement de produits chimiques dans la nature, en plus de promettre un recyclage plus simple en fin de vie.
Ont aussi participé à la découverte : Erica Tomassi, Elsa Briqueleur, Mickaël Dollé et Luc Stafford, de l’Université de Montréal, ainsi que David Aymé-Perrot, de l’entreprise Total.
De gauche à droite : Jacopo Profili, Steeve Rousselot, Erica Tomassi, Elsa Briqueleur, Luc Stafford, Mickaël Dollé et David Aymé-Perrot. Images: Ludovic Gauthier; Guitron Alejandra
L’avis du jury
Le recyclage est le problème du futur des batteries. Certes, ces chercheurs ne sont pas les premiers à réfléchir sur une batterie verte. Mais ils ont le mérite d’avoir conçu une batterie en considérant l’ensemble de son cycle de vie. Leur procédé est à la fois astucieux et prometteur.
