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Les capacités de stockage obtenues semblent prometteuses, d'autant plus que le fer et le carbone sont des ressources largement disponibles. Les résultats de leurs travaux ont été publiés dans la revue Chemistry of Materials.
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
« Comme chacun sait, les Mozartkugeln viennent de Salzbourg. On peut comparer les sphères creuses en carbone développées par nos collègues de l'université de Salzbourg à ces boules de chocolat fourrées. Ces sphérogeles (en anglais « carbon spherogels ») nous offrent des unités de taille nanométrique (environ 250 nm) avec de grandes surfaces et une capacité électrochimique élevée. Le défi consiste désormais à introduire les oxydes métalliques appropriés dans l'espace vide existant par synthèse chimique », explique Stefanie Arnold, chercheuse en science des matériaux. Après des premiers essais avec le dioxyde de titane, dont la capacité à stocker et à libérer des ions lithium était toutefois relativement faible, l'oxyde de fer, communément appelé rouille, est entré en jeu.
« Le fer présente l'avantage d'être disponible en abondance dans le monde entier, d'avoir une capacité de stockage élevée, du moins en théorie, et d'être facile à recycler », explique Stefanie Arnold, qui mène des recherches à l'Université de la Sarre en tant que post-doctorante auprès de Volker Presser, professeur en matériaux énergétiques. Grâce à un procédé de synthèse évolutif basé sur le lactate de fer , les collègues de Salzbourg ont pu intégrer différentes variantes de fer dans la structure carbonée des sphères creuses. Cela a permis de créer des réseaux poreux robustes avec des nanoparticules de fer réparties uniformément. « Il était intéressant de constater que la capacité de stockage augmentait continuellement grâce au processus électrochimique. Plus la batterie était utilisée longtemps, plus sa performance augmentait. Cela s'explique par le fait que le fer métallique, appelé fer (0), ne réagit avec l'oxygène pour former de l'oxyde de fer qu'une fois activé, et qu'il se dilate alors. Ce n'est qu'après environ 300 cycles que l'oxyde de fer a rempli tous les espaces vides des sphères de carbone et atteint sa capacité de stockage maximale », explique Stefanie Arnold.
Les « batteries à base de rouille » font l'objet de recherches approfondies
Il reste encore beaucoup de recherches à mener avant que ce mécanisme puisse être utilisé à l'échelle industrielle. D'une part, le processus d'activation doit encore être accéléré afin que les batteries atteignent plus rapidement leur capacité de stockage maximale. D'autre part, les sphères creuses en carbone remplies d'oxyde de fer ne constituent que l'électrode des batteries. Pour obtenir une cellule complète, il faut encore développer une contre-électrode adaptée. « Nous sommes convaincus que cela permettra d'exploiter de manière écologique des systèmes de stockage intermédiaire pour les énergies renouvelables », déclare Volker Presser, qui dirige également le département de recherche Énergie-Matériaux à l'INM - Institut Leibniz des Nouveaux Matériaux de Sarrebruck. En outre, le nouveau matériau doit également être testé pour les batteries sodium-ion, déjà utilisées par les constructeurs automobiles chinois. « Ces matériaux constituent une plateforme technologique polyvalente qui permet d'intégrer divers autres matériaux in situ, c'est-à-dire en une seule étape de synthèse, dans les sphérogels et de les utiliser pour une multitude d'applications », explique Michael Elsässer.
Développer de nouvelles méthodes de recyclage et un approvisionnement énergétique respectueux du climat
Dans le cadre du projet « EnFoSaar », Stefanie Arnold travaille également sur la question du recyclage du lithium des batteries et sur la conception future des batteries afin qu'elles puissent être démontées à l'échelle industrielle. « Nous avons besoin de méthodes de recyclage efficaces et de systèmes en circuit fermé afin de minimiser la consommation de ressources et de réduire les déchets dans la chaîne d'approvisionnement des batteries », souligne Stefanie Arnold. EnFoSaar est un projet de grande envergure financé par le gouvernement sarrois à hauteur de 23 millions d'euros provenant du fonds de transformation ( ). Il a pour objectif de développer des approches innovantes pour un approvisionnement énergétique respectueux du climat. Il vise à faire avancer la transformation du secteur énergétique sarrois et le paysage de la recherche nécessaire à cet effet grâce à une méthodologie scientifiquement fondée et orientée vers la pratique.
Publication originale :
Iron-Loaded Carbon Spherogels as Sustainable Electrode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries, Authors: Saeed Borhani, Le Thi Thao, Gregor A. Zickler. Antje Quade, Michael S. Elsaesser, Volker Presser, Stefanie Arnold
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5c02442
Informations complémentaires :
Projet de transformation EnFoSaar : https://enfosaar.de/
Groupe de recherche de Volker Presser : https://www.leibniz-inm.de/forschung/forschungsgruppen/energie-materialien
Communiqué de presse sur le lancement du projet EnFoSaar : https://www.uni-saarland.de/aktuell/enfosaar-35353.html
Réponses aux questions :
Prof. Dr Volker Presser
Professeur en matériaux énergétiques
E-mail : volker.presser(at)leibniz-inm.de
Dr Stefanie Arnold
Chaire des matériaux énergétiques de l'Université de la Sarre
Tél. : 0681 3024430
E-mail : stefanie.arnold(at)uni-saarland.de
