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

Alors que la demande mondiale de solutions de stockage d’énergie durables et efficaces augmente, les chercheurs se tournent vers des matériaux non conventionnels pour améliorer les performances et la durabilité des batteries. L’un de ces matériaux est le chanvre industriel, une plante polyvalente historiquement utilisée dans les textiles, la construction et l’alimentation. Des avancées récentes suggèrent que le chanvre pourrait jouer un rôle transformateur dans le développement de batteries avancées, en particulier dans les supercondensateurs et les batteries lithium-soufre (Li-S). Cet article explore la science derrière les batteries au chanvre, leurs avantages et leur impact potentiel sur l’industrie du stockage d’énergie.

Carbone dérivé du chanvre dans les supercondensateurs

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie connus pour leurs capacités de charge et de décharge rapides, leur longue durée de vie et leur densité de puissance élevée. Cependant, ils souffrent traditionnellement d'une faible densité énergétique par rapport aux batteries lithium-ion. Un facteur clé dans les performances des supercondensateurs est le matériau de l'électrode, 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 absolue pour les électrodes de supercondensateurs en raison de sa conductivité électrique élevée et de sa grande surface. Cependant, les coûts de production élevés et les processus de fabrication complexes ont limité son adoption généralisée.

Le Dr David Mitlin, professeur à l'université Clarkson, a découvert un moyen de transformer les fibres de chanvre (l'écorce interne de la plante de chanvre) en nanofeuilles de carbone à 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 qui fonctionnent de manière similaire au graphène à une fraction du coût.

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) ont longtemps été 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) et 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 plante à croissance rapide et largement disponible, ce qui en fait une matière première peu coûteuse. Comparé aux sources de carbone synthétiques coûteuses, le carbone dérivé du chanvre peut être produit à moindre coût et de manière efficace.

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.
• Déchet biodégradable – Contrairement aux matières 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.
• Une plus grande 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 entourant 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 apparaissent comme un concurrent sérieux pour l’avenir du stockage d’énergie. Des supercondensateurs aux batteries Li-S de nouvelle génération, le chanvre offre une alternative durable, rentable et performante aux matériaux à base de carbone conventionnels.

Bien que des défis subsistent en termes d’évolutivité et d’adoption, la poursuite des recherches 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 contribuer à révolutionner l’industrie des batteries, en fournissant une solution renouvelable et respectueuse de l’environnement à nos besoins croissants en matière de stockage d’énergie.

- Stephan Rich

Sources :

• IHEMP Washington : CHANVRE - Piles
• Technologie énergétique : le chanvre améliorera-t-il les batteries des véhicules électriques ?
• UWN Engineering News - Un média d'information couvre les efforts visant à développer une alternative aux batteries au lithium, en utilisant du chanvre