Vers des batteries organiques plus performantes
Aujourd’hui, l’augmentation de la demande en électricité est telle que les besoins en systèmes de stockage explosent. Cependant, les ressources en métaux sont limitées et coûteuses, tant sur le plan énergétique qu’environnemental. Dans ce contexte, utiliser des matériaux organiques pourrait constituer une alternative prometteuse, sur laquelle travaille une équipe CNRS des Hauts-de-France du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS - UPJV/CNRS).
Apparues il y a 35 ans, les batteries représentent aujourd’hui un enjeu stratégique majeur en raison de l’électrification massive de nos modes de vie, et notamment du développement des voitures électriques. Cependant, l’exploitation du lithium, du cobalt ou du nickel pose des questions de disponibilité ainsi que de souveraineté, ces ressources étant rares sur le continent européen. Dès lors, ne pourrait-on pas créer des batteries à partir de matériaux organiques ? Le carbone, l’azote, l’oxygène, le soufre et l’hydrogène sont en effet présents en quantité, partout dans le monde. Les utiliser permettrait de s’affranchir non seulement du sujet des métaux critiques, mais aussi des problèmes de réactivité de ces métaux, qui peuvent conduire à courts-circuits. Sans compter que les matériaux organiques offrent également l’avantage d’être potentiellement issus de la biomasse, en plus d’être faciles à recycler.
Persuadée du potentiel de ce domaine émergent, une petite communauté de chercheurs s’y intéresse. Parmi eux, Matthieu Becuwe, professeur des universités à l’Université de Picardie Jules Verne. Depuis le début de sa carrière, ce chercheur est passé de la chimie organique à la synthèse des nanomatériaux, en passant par la chimie analytique, de greffage ou des matériaux hybrides. Une transversalité qu’il met désormais à profit au sein du Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS1 ) d’Amiens pour dit-il, « explorer de nouveaux sentiers », et les batteries organiques en font partie.
Le manque de conductivité : un défi à surmonter
Si elles laissent entrevoir des perspectives attrayantes, les batteries organiques présentent un inconvénient de taille : leur faible conductivité. Pour y remédier, les chimistes ajoutent un additif conducteur carboné mais « la proportion est telle que l’on diminue de 30 à 40 % la capacité de stockage de la batterie », observe Matthieu Becuwe. En effet, en plus d’occuper une partie de l’espace, le carbone est aussi le siège de réactions parasites qui entravent parfois l’activité de la batterie. Alors que l’amélioration de la conductivité est très peu explorée, les récentes recherches du groupe laissent penser qu’il est possible de trouver de nouveaux matériaux, nécessitant moins d’additif conducteur, qui permettraient de fabriquer des batteries organiques plus performantes. Reste à confirmer cette intuition : c’est ainsi que démarre le projet COMETS (Matériaux organiques conducteurs pour le stockage électrochimique de l'énergie), retenu par l’Agence Nationale de la Recherche et financé de 2023 à 20262 .
Coordinateur du projet, Matthieu Becuwe fait appel à l’Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR3 , groupe de la professeure Dominique Lorcy), spécialiste des matériaux organiques conducteurs, qui s’associe donc au LRCS : dans chaque laboratoire, un doctorant (Hugo Bevan, ISCR) et une doctorante (Manon Mignon, LRCS) réalisent les manipulations, sur lesquelles travaille au total une dizaine de scientifiques.
Au départ, l’équipe identifie trente matériaux potentiellement intéressants : certains existent déjà, tandis que d’autres sont conçus pour avoir des propriétés électrochimiques bien définies. « Il s’agit toujours de composés de carbone, d’hydrogène et de soufre, mais l’organisation des atomes change, explique Matthieu Becuwe. L’expertise de l’ISCR permet de contrôler techniquement cette organisation à l’échelle moléculaire, et donc de créer des chemins qui vont conduire les électrons. »
Le laboratoire rennais synthétise alors les matériaux et envoie à Amiens des échantillons de diverses nature (poudre ou cristaux très fins), dont le poids va de quelques milligrammes à quelques centaines de milligrammes. De son côté, le LRCS se charge de la caractérisation et réalise des tests électrochimiques pour observer la performance des batteries.
