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Des chercheurs de Concordia découvrent des composés organiques pouvant remplacer les métaux lourds dans les batteries

Les ingénieurs en génie chimique et des matériaux Zhibin Ye et Xudong Liu conçoivent une batterie à forte densité d’énergie à l’aide de matériaux cathodiques organiques durables
12 avril 2021
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Par Elena Parial

Photo de Zhibin Ye Zhibin Ye : « Nous pouvons concevoir des matériaux cathodiques organiques d’une grande stabilité, tout en atteignant des niveaux de densité énergétique supérieurs à ceux des matériaux cathodiques inorganiques à base d’oxyde métallique qui dominent le marché. »

Aujourd’hui, le monde dépend des technologies alimentées par batterie pour fonctionner au quotidien. Des téléphones portables aux véhicules électriques, nous recourons à des batteries de toutes formes et de toutes tailles pour rester connectés les uns aux autres.

Une critique courante des solutions alternatives à l’énergie portable est que les matériaux utilisés ne tiennent pas une charge égale ou supérieure à la batterie classique au lithium-ion.

Zhibin Ye, professeur au Département de génie chimique et des matériaux à l’École de génie et d’informatique Gina-Cody, s’intéresse à ces questions dans son tout dernier article scientifique : « Nitroaromatics as High-Energy Organic Cathode Materials for Rechargeable Alkali-Ion (Li+, Na+, and K+) Batteries ». Zhibin Ye et son collègue postdoctorant Xudong Liu ont mené leurs recherches au nouveau Carrefour des sciences appliquées de Concordia.

Que sont les composés nitroaromatiques?

Les nitroaromatiques sont un groupe de composés organiques aromatiques contenant des groupes nitro (NO2) qui peuvent être synthétisés à partir de sources organiques abondantes. On les considérait auparavant comme trop instables pour être utilisés dans les batteries. Les recherches de M. Ye ont permis de contourner ce problème pour la première fois.

« Nous avons découvert des matériaux cathodiques organiques nitroaromatiques qui présentent une grande stabilité électrochimique et qui atteignent des niveaux de densité énergétique plus élevés que les matériaux cathodiques inorganiques à base d’oxyde métallique utilisés exclusivement dans les batteries au lithium-ion actuelles, explique M. Ye. La densité d’énergie est une contrainte majeure de la technologie des batteries au lithium-ion, c’est-à-dire que pour tenir une charge plus longue, la batterie doit être plus grosse et plus lourde. »

Les chercheurs ont utilisé de petites piles de la taille d’une pièce de monnaie pour tester cette approche. Elles sont plus légères et moins coûteuses que leurs homologues inorganiques, et permettent de se libérer du coût éthique et environnemental lié au processus d’extraction des métaux.

La prochaine étape consiste à tester le rendement dans des batteries cylindriques afin de préparer la technologie au marché grand public et d’accroître leurs applications pratiques.

Photo de Xudong Liu Xudong Liu est un étudiant postdoctorant qui fait de la recherche avec M. Ye au nouveau Carrefour des sciences appliquées de Concordia.

Incidence sur les déchets à l’échelle planétaire

« En tant qu’ingénieurs chimistes, nous concevons des solutions pour optimiser la structure et les performances des composants, explique M. Liu. La découverte de sources organiques durables capables d’offrir une stabilité et une densité énergétique accrue aux batteries peut changer notre façon de réfléchir à la question des déchets. »

Il a également été démontré que les déchets plastiques non recyclables peuvent stocker de l’énergie électrique après avoir été fonctionnalisés avec des groupes nitro. Par exemple, les déchets de polystyrène peuvent être transformés en polystyrène nitré, qui devient alors électrochimiquement actif.

« Nous voulons réduire la production mondiale de déchets en les utilisant pour créer une source d’énergie durable qui répond à nos besoins croissants. »

Le fardeau de la pile

Selon M. Ye, « les batteries d’aujourd’hui présentent trois défis majeurs » :

  1. Densité énergétique : En raison des métaux lourds utilisés dans les cathodes, les batteries sont lourdes. Leur poids limite la densité énergétique.
  2. Toxicité : Les batteries ont une forte empreinte environnementale, car les métaux lourds utilisés dans leur composition sont toxiques.
  3. Exploitation minière non durable : Ces métaux sont extraits de ressources naturelles dont la quantité est limitée, ils ne sont donc pas durables. À mesure que la demande de batteries augmentera, le coût augmentera également et l’accès à ces ressources brutes sera de plus en plus limité.

Les experts prévoient que 11 millions de tonnes de batteries au lithium-ion usagées seront distribuées pour être recyclées partout dans le monde de 2017 à 2030. Une étude Ipsos de 2019 a révélé que les consommateurs canadiens ont recyclé près de 3 millions de kilogrammes de piles domestiques, soit une augmentation de 9 % par rapport à l’année précédente.

L’empreinte environnementale du recyclage des batteries est considérable et constitue un obstacle majeur à la construction de véhicules électriques réellement respectueux de l’environnement et plus abordables. Le bloc de batteries représente le quart du coût de production d’un véhicule électrique.

Coût des politiques des émissions nettes nulles

Notre dépendance aux batteries au lithium-ion continuera d’augmenter. En 2017, la Banque mondiale prévoyait que la demande mondiale de lithium allait exploser de 965 % d’ici 2050.

Ces prévisions sont basées sur le fait que les véhicules électriques à batterie sont sans aucun doute l’avenir du transport. Transports Canada souhaite d’ailleurs que les ventes annuelles de véhicules électriques atteignent 2,7 millions en 2030.



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