Batteries au graphène : l'avenir du stockage d'énergie longue durée

La technologie des batteries a beaucoup progressé. Mais une chose reste immuable : la quête d'une autonomie toujours plus grande. Ne serait-ce pas idéal si nos ordinateurs portables et smartphones tenaient une semaine d'utilisation intensive en une seule charge ? Ou si les voitures électriques se rechargeaient en quelques minutes ?

Avec les batteries au graphène, tout cela devient possible.

Le graphène est actuellement le matériau le plus étudié pour le stockage de charge. Des laboratoires du monde entier confirment son potentiel pour révolutionner l'industrie du stockage d'énergie.

Découvert en 2004, le graphène pourrait apporter de nombreuses innovations dans la prochaine décennie : batteries entièrement enroulables, condensateurs plus compacts, dispositifs à haute capacité et charge ultra-rapide, batteries transparentes.

Plongeons dans cette technologie révolutionnaire : en quoi diffère-t-elle des batteries lithium-ion actuelles, quelles sont ses applications, et pourquoi est-elle si prometteuse.

Qu'est-ce qu'une batterie au graphène ?

Le graphène, une feuille d'atomes de carbone arrangés en un réseau bidimensionnel en nid d'abeille, est reconnu comme un « matériau miracle » grâce à ses propriétés uniques. Excellent conducteur de chaleur et d'électricité, incroyablement flexible, quasi transparent, 100 fois plus résistant que l'acier à épaisseur égale, et extrêmement léger.

Atomes de graphène en réseau bidimensionnel en nid d'abeille

Écologique et durable, il offre des possibilités illimitées dans de nombreux domaines. L'une des plus prometteuses : les batteries de nouvelle génération.

Le graphène peut être intégré à différents types de batteries : métal-air, flux redox, lithium-métal, lithium-soufre, et surtout lithium-ion. Il peut être traité chimiquement en versions adaptées aux électrodes négatives et positives.

Les batteries au graphène peuvent alimenter tout, des appareils portables aux véhicules électriques. Elles stockent plus d'énergie et offrent des cycles de vie plus longs que les batteries lithium-ion commerciales actuelles.

Le graphène peut aussi servir de supercondensateur, capable de charger et décharger incroyablement vite. De quoi aider l'humanité à enfin se passer des combustibles fossiles nocifs.

Différences avec les batteries traditionnelles

La technologie des batteries au graphène ressemble aux lithium-ion : deux électrodes solides et une solution électrolytique pour le flux d'ions. Certaines batteries au graphène utilisent un électrolyte solide.

La différence majeure réside dans la composition d'une ou des deux électrodes. Dans une batterie conventionnelle, la cathode (électrode positive) est entièrement en matériaux solides. Dans une batterie au graphène, la cathode est un composant hybride associant graphène et matériau métallique solide.

La quantité de graphène dans l'électrode varie selon l'efficacité du matériau solide et les exigences de performance. Par ailleurs, le graphène comme anode offre une capacité élevée et une excellente capacité de débit.

Défis actuels

Ces dernières années, les chercheurs ont démontré diverses batteries à base de graphène surpassant les modèles commerciaux. Pourtant, la technologie n'a pas encore atteint le marché. Deux obstacles majeurs persistent :

1. L'absence de procédés efficaces pour produire du graphène de haute qualité à grande échelle
2. Des coûts de production prohibitifs actuellement

Produire un kilogramme de graphène coûte des dizaines de milliers de dollars (variable selon la qualité requise). Le charbon actif utilisé dans les supercondensateurs coûte environ 15 $/kg, ce qui rend très difficile l'entrée sur le marché commercial pour d'autres matériaux.

12 nouvelles fonctionnalités des batteries au graphène

Bientôt, le graphène pourrait établir une nouvelle génération de dispositifs de stockage d'énergie aux caractéristiques extraordinaires, impossibles avec la technologie actuelle.

1. Supercondensateurs avec filtrage ligne CA

Un condensateur à double couche électrique basé sur des feuilles de graphène orientées verticalement pourrait se charger/décharger en moins d'une milliseconde. Des dizaines de matériaux testés pour le filtrage CA : oxyde de graphène, tapis graphène-CNT (nanotubes de carbone), points quantiques de graphène.

De tels supercondensateurs ultra-rapides pourraient remplacer les gros condensateurs électrolytiques actuels, rendant les appareils électroniques plus légers et compacts.

2. Dispositifs de stockage d'énergie flexibles

Les batteries et supercondensateurs actuels sont rigides : les plier risque fuite d'électrolyte et dommages cellulaires. Le graphène, avec sa structure bidimensionnelle d'un atome d'épaisseur, se déforme dans la direction normale à sa surface sans dommage.

Outre cette flexibilité mécanique intrinsèque, ses caractéristiques électriques phénoménales et sa grande surface en font un matériau prometteur pour les batteries flexibles.

3. Batteries et supercondensateurs extensibles

Des dispositifs de stockage extensibles peuvent être construits en exploitant l'extensibilité structurelle d'électrodes composites micro-nid d'abeille graphène-CNT/matériau actif et d'un électrolyte gel physiquement réticulé.

Film graphène-CNT/matériau actif sur substrat extensible | Crédit : ACS Nano

Les matériaux actifs interconnectés via les nanotubes de carbone enchevêtrés et les feuilles de graphène fournissent un réseau poreux mécaniquement stable, tandis que la structure en nid d'abeille permet l'étirement structural lors de la déformation.

4. Batteries lithium-ion à charge ultra-rapide

Le graphène permettant un transfert d'ions et d'électrons plus rapide dans les électrodes, les batteries lithium-ion équipées de graphène se chargent et déchargent en bien moins de temps.

Exemple : une batterie lithium-ion avec cathode LiFePO₄ nanoscopique et anode Li₄Ti₅O₁₂ sur mousse de graphène flexible se charge complètement en 18 secondes seulement. Le graphène pur à l'anode améliore aussi la capacité et le taux de charge/décharge ultra-rapide.

5. Batteries pour appareils portables (wearables)

Les avancées récentes en électrodes coaxiales et à gaine centrale permettent de combiner matériau d'électrode et collecteur de courant en un seul fil, tissable ou tricotable directement dans les textiles.

Le graphène s'assemble efficacement en microfibres multifonctionnelles tissables. Des microfibres cœur-gaine en graphène ont déjà démontré des supercondensateurs flexibles et extensibles (haute capacitance surfacique) intégrables dans les textiles par tissage traditionnel.

6. Collecteurs de courant ultraminces pour appareils légers

Les batteries actuelles utilisent des collecteurs de courant en feuille métallique (cuivre, aluminium, nickel) de 20–80 µm d'épaisseur pour le flux d'électrons. Ces métaux ne stockant pas la charge, ils réduisent la densité énergétique globale. De plus, ils corrodent, impactant la résistance interne et la durée de vie.

Le graphène est une meilleure alternative : haute conductivité électrique, faible densité, performance stable en conditions extrêmes. Transformable en films avec rides et plis, il améliore le contact électrique avec les matériaux actifs (réduisant encore la résistance cellulaire).

7. Batteries et supercondensateurs transparents

Grâce à sa haute conductivité et sa transparence décente (jusqu'à 97,7 % de transmission), le graphène joue un rôle clé pour des batteries transparentes plus efficaces. Utilisable comme matériau d'électrode pour dispositifs de stockage transparents, mais aussi fenêtres intelligentes, cellules solaires, équipements optoélectroniques.

8. Batteries plus durables

Les lithium-ion actuelles utilisent des anodes en graphite. Remplacer le graphite par le graphène augmente la densité énergétique.

Électrodes en papier de graphène plié, films de graphène poreux, cadres de graphène solvatés : trois fois plus de capacité que les anodes en graphite traditionnelles, promettant plus d'autonomie aux véhicules électriques et plus de temps d'utilisation aux appareils portables.

La capacité et la densité de puissance peuvent être encore améliorées en dopant les anodes en graphène avec azote et bore.

9. Oxyde de graphène comme électrolyte solide et séparateur

L'oxyde de graphène est un bon isolant électronique. Utilisable à la fois comme électrolyte solide viable et séparateur d'électrodes. Certaines études montrent qu'un film d'oxyde de graphène, agissant comme électrolyte solide, présente une haute capacitance mais avec une diffusion ionique indétectable, similaire aux condensateurs diélectriques.

Ces observations pourraient mener à des condensateurs ultra-rapides, légers, à haute densité énergétique, sans diffusion ionique — souvent responsable des fuites d'électrolyte dangereuses.

10. Supercondensateurs à densité énergétique de batteries

Supercondensateurs en mousses de graphène [poreuses et denses] ont des densités énergétiques ultra-élevées comparables aux batteries plomb-acide. Ces mousses sont créées en creusant de minuscules trous dans les plans de base du graphène, puis en les compressant avec des équipements hydrauliques avancés.

Avantage majeur : ils fonctionnent avec électrolytes aqueux et peuvent être fabriqués sans « salle sèche » sophistiquée.

11. Membranes d'oxyde de graphène semi-perméables

Les membranes d'oxyde de graphène montrent des caractéristiques de barrière uniques. À sec, imperméables à tout sauf vapeur d'eau. Dans l'eau, elles agissent comme tamis moléculaires, bloquant les gros ions tout en facilitant le transport des plus petits.

Ces propriétés pourraient mener à de nouvelles membranes sélectives d'ions pour supercondensateurs, batteries et piles à combustible.

12. Électrodes sans liant ni additif

Liants et additifs représentent jusqu'à 40 % de la masse d'une électrode. C'est de la « masse morte » : ne stocke aucune charge, réduit la densité énergétique globale.

Mais le graphène s'assemble en structures 2D et 3D auto-portantes à haute conductivité, permettant de l'intégrer directement aux électrodes sans liants ni agents conducteurs.

Études récentes

Cette dernière décennie, les scientifiques se sont concentrés sur l'amélioration des performances électrochimiques globales et de la fiabilité des batteries existantes. Ils ont développé et testé de nombreuses versions de batteries à composites de graphène.

Batterie lithium-ion à nanocomposites graphène/silicium optimisés

Des chercheurs ont fabriqué un composite optimisé d'oxyde de graphène réduit/silicium par auto-assemblage templaté. Le graphène soutient uniformément les nanoparticules de silicium, formant un réseau tridimensionnel (grâce aux interactions intermoléculaires renforcées et surface spécifique accrue).

Stratégie synthétique du composite RGO/Si optimisé | Crédit : ACS Publications

Utilisable comme feuille d'interphase électrolyte solide stable, augmentant à la fois conductivité électrique et stabilité structurelle.

Cellules poche à base de graphène

Une batterie lithium-oxygène quasi-solide à base de graphène délivre des densités énergétiques gravimétrique et volumétrique supérieures aux batteries lithium-ion polymères existantes. Composée d'une cathode graphène 3D poreuse, anode graphène/Li poreuse, et électrolyte gel polymère modifié par médiateur redox.

Schéma batterie Li-O2 à base de graphène | Crédit : Nature

Cette étude ouvre la voie à des batteries lithium-oxygène sûres et stables avec cyclage stable à grande capacité et surtension de charge faible.

Films stratifiés de graphène pour stockage capacitif

En 2020, une équipe a conçu une électrode en film stratifié de graphène auto-portant avec utilisation des pores hautement efficace. La porosité est configurable en ajustant l'espacement inter-couches. Les pores étant utilisés de façon optimale, la capacitance volumétrique est maximisée.

Supercondensateur flexible en graphène stocke 10x plus d'énergie que les conventionnels | Crédit : University College London

Ces supercondensateurs conservent 97,8 % de leur capacité après 5 000 cycles. Très flexibles : performance quasi identique pliés à 180° qu'à plat.

Électrode à graphène induit par laser

Des scientifiques ont fabriqué un micro-supercondensateur flexible par réduction photonique laser à impulsion unique. Cette méthode produit 1 000 lasers formés spatialement par seconde, et plus de 30 000 micro-supercondensateurs en 10 minutes.

Plus de 30 000 MSCs fabriqués sur un centimètre carré | Crédit : Beijing Institute of Technology

Cette électrode à graphène induit par laser présente une capacitance spécifique exceptionnelle, une constante de temps ultra-courte, une densité énergétique ultra-élevée, et une cyclabilité long terme.

Marché

La recherche sur le graphène continuera de s'étendre dans la prochaine décennie, promettant d'améliorer nos vies. En 2019, le marché mondial des batteries au graphène était évalué à 49 millions $, avec une projection à ~399 millions $ d'ici 2027, soit un TCAC (taux de croissance annuel composé) de plus de 31 % sur la période.

La croissance est tirée par l'utilisation dans les véhicules électriques, appareils portables, et l'adoption croissante d'énergies non conventionnelles. Le segment automobile devrait avoir la plus forte croissance grâce à la demande croissante de voitures électriques pour raisons environnementales.

Par région, l'Asie-Pacifique devrait représenter la plus grande part de l'industrie. Pays clés : Chine, Japon, Corée du Sud. L'Europe aura probablement la 2^e plus grande part mondiale.