Batteries au chanvre : l’avenir du stockage d’énergie durable ?

Face à la demande mondiale croissante de solutions de stockage d'énergie durables et efficaces, les chercheurs se tournent vers des matériaux non conventionnels pour améliorer les performances et la durabilité des batteries. Le chanvre industriel, une plante polyvalente historiquement utilisée dans le textile, la construction et l'alimentation, en est un exemple. De récentes avancées scientifiques suggèrent que le chanvre pourrait jouer un rôle transformateur dans le développement de batteries avancées, notamment pour les supercondensateurs et les batteries lithium-soufre (Li-S). Cet article explore les fondements scientifiques des batteries au chanvre, leurs avantages et leur impact potentiel sur le secteur du stockage d'énergie.

Carbone dérivé du chanvre dans les supercondensateurs

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie réputés pour leurs capacités de charge et de décharge rapides, leur longue durée de vie et leur densité de puissance élevée. Cependant, leur densité énergétique est traditionnellement inférieure à celle des batteries lithium-ion. Le matériau des électrodes est un facteur clé de leur performance, qui influence directement l'efficacité du stockage d'énergie.

Le chanvre comme alternative au graphène

Le graphène, une nanostructure de carbone monocouche, est depuis longtemps considéré comme la référence en matière d'électrodes de supercondensateurs en raison de sa conductivité électrique élevée et de sa grande surface. Cependant, ses coûts de production élevés et la complexité de ses procédés de fabrication ont limité son adoption généralisée.

Le Dr David Mitlin, professeur à l'Université Clarkson, a découvert un moyen de transformer les fibres libériennes de chanvre (l'écorce interne de la plante) en nanofeuilles de carbone haute performance. En soumettant ces fibres à un processus de synthèse hydrothermale, suivi d'une activation chimique, l'équipe de Mitlin a produit des nanofeuilles de carbone dérivées du chanvre aux performances similaires à celles du graphène, à un coût bien inférieur.

Performances des supercondensateurs à base de chanvre

Les résultats ont été étonnants :

• Les supercondensateurs dérivés du chanvre stockent jusqu’à 12 wattheures par kilogramme (Wh/kg), soit plus du double de la densité énergétique des supercondensateurs commerciaux standard.
• Le processus de fabrication était nettement moins cher que la production de graphène.
• Les électrodes à base de chanvre ont montré une excellente stabilité et conductivité.

Les recherches de Mitlin suggèrent que les nanofeuilles de carbone à base de chanvre pourraient remplacer le graphène dans de nombreuses applications de supercondensateurs, offrant une alternative durable et à faible coût.

Le chanvre dans les batteries lithium-soufre (batteries Li-S)

Les batteries lithium-soufre (Li-S) sont depuis longtemps considérées comme une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion en raison de :

• Densité énergétique théorique plus élevée (jusqu'à cinq fois supérieure à celle du lithium-ion).
• Matériau de cathode en soufre abondant et peu coûteux.
• Impact environnemental réduit par rapport aux batteries lithium-ion à base de cobalt.

Cependant, les batteries Li-S souffrent de défis techniques importants, notamment :

• Dissolution des polysulfures – Les polysulfures intermédiaires ont tendance à se dissoudre dans l’électrolyte, ce qui entraîne une perte de capacité.
• Expansion de la cathode – Le soufre subit une expansion volumétrique importante pendant les cycles de charge et de décharge, réduisant ainsi la durée de vie de la batterie.

Le rôle du chanvre dans l'amélioration des batteries Li-S

Pour surmonter ces problèmes, les chercheurs de Bemp Research Corp., en collaboration avec l'Université du Wisconsin-Milwaukee et l'Université du Nord du Texas, ont développé une cathode composite en carbure de bore (B4C)-chanvre pour les batteries Li-S.

• Le carbone dérivé du chanvre fournit une structure poreuse, permettant à la cathode de s'adapter à l'expansion et à la contraction sans dégradation.
• La structure piège les polysulfures, réduisant ainsi la perte de capacité et améliorant la stabilité du cyclage.
• Les prototypes ont montré des performances et une durée de vie considérablement améliorées par rapport aux conceptions Li-S conventionnelles.

Ces avancées suggèrent que les matériaux à base de chanvre pourraient révolutionner les batteries Li-S, en faisant d’elles une alternative viable aux batteries lithium-ion pour des applications telles que les véhicules électriques et le stockage sur réseau.

Avantages des batteries à base de chanvre

Les avantages potentiels du stockage d’énergie dérivé du chanvre comprennent :

1. Rentabilité

Le chanvre est une culture à croissance rapide et largement disponible, ce qui en fait une matière première peu coûteuse. Comparé aux sources de carbone synthétique coûteuses, le carbone dérivé du chanvre peut être produit à moindre coût et efficacement.

2. Durabilité environnementale

• La culture du chanvre nécessite un minimum de pesticides et d’herbicides.
• Séquestration du carbone – Le chanvre absorbe de grandes quantités de CO₂ au cours de son cycle de croissance.
• Déchets biodégradables – Contrairement aux matériaux synthétiques, le charbon à base de chanvre est plus respectueux de l’environnement.

3. Performances de la batterie améliorées

Le carbone dérivé du chanvre a démontré :

• Densité énergétique supérieure à celle du charbon actif traditionnel.
• Meilleure stabilité du cyclage, en particulier dans les batteries Li-S.
• Performances comparables ou supérieures au graphène dans les supercondensateurs.

Défis et perspectives d'avenir

Malgré ses promesses, la technologie des batteries à base de chanvre est confrontée à plusieurs défis :

1. Évolutivité

• Bien que les résultats à l’échelle du laboratoire soient prometteurs, l’intensification de la production pour une utilisation commerciale reste un défi.
• Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour développer des techniques de traitement à l’échelle industrielle du carbone dérivé du chanvre.

2. Adoption par le marché

• L’industrie du stockage d’énergie est dominée par la technologie lithium-ion.
• Les fabricants et les consommateurs ont besoin d’incitations convaincantes pour passer aux alternatives à base de chanvre.

3. Considérations réglementaires

• Bien que le chanvre industriel ne soit pas psychoactif, les réglementations concernant sa culture varient à travers le monde.
• Des changements de politique pourraient être nécessaires pour encourager l’utilisation du chanvre industriel dans les applications technologiques.

Recherches actuelles et orientations futures

• L'Université du Wisconsin-Milwaukee s'associe à Wisconsin Battery Company pour développer des batteries sodium-ion utilisant du carbone dérivé du chanvre.
• La recherche sur des électrolytes et des structures de cathodes alternatifs pourrait encore améliorer les batteries Li-S à base de chanvre.
  

Conclusion

Les matériaux dérivés du chanvre s'imposent comme un acteur majeur du stockage d'énergie de demain. Des supercondensateurs aux batteries Li-S de nouvelle génération, le chanvre offre une alternative durable, économique et performante aux matériaux carbonés conventionnels.

Bien que des défis subsistent en termes d'évolutivité et d'adoption, la poursuite de la recherche et des avancées technologiques pourrait faire des batteries à base de chanvre un élément clé de la transition énergétique mondiale. En cas de succès, le chanvre pourrait révolutionner l'industrie des batteries, offrant une solution renouvelable et respectueuse de l'environnement à nos besoins croissants en matière de stockage d'énergie.

Sources :

• IHEMP Washington : CHANVRE - Piles
• Technologie énergétique : le chanvre améliorera-t-il les batteries des véhicules électriques ?
• UWN Engineering News - Un média couvre les efforts visant à développer une alternative aux batteries au lithium, en utilisant du chanvre