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Comment mieux stocker l’électricité ?

A l'IMN de Nantes, des chercheurs travaillent à lever les verrous technologiques qui limitent le développement des piles à combustibles. © IMN

Notre avenir énergétique dépendra de notre capacité à développer des dispositifs plus performants pour stocker et restituer l’énergie électrique. A Nantes, l’Institut des matériaux Jean Rouxel (IMN) possède l’une des plus grosses équipes européennes sur cette thématique de recherche.

Raréfaction des énergies fossiles, pollution et réchauffement climatique, inquiétudes autour du nucléaire… l’heure est plus que jamais à la recherche d’alternatives. Ainsi les énergies renouvelables se développent, notamment l’énergie éolienne et photovoltaïque, mais elles ne produisent pas forcément l’électricité au moment où l’on en a besoin. Les véhicules électriques ont également le vent en poupe, mais leur autonomie est encore limitée. Parallèlement, l’électronique nomade envahit nos vies, avec des appareils toujours plus énergivores… Bref, nombreux sont les domaines dont le développement nécessitera de mieux savoir stocker et restituer l’énergie électrique. A Nantes, l’IMN possède l’une des deux plus importantes équipes de recherche européennes investies dans cette thématique : l’équipe « Stockage et transformation électrochimiques de l’énergie », alias  ST2E. « Nos cinquante scientifiques conçoivent, synthétisent, caractérisent et évaluent de nouveaux matériaux destinés à améliorer les performances des dispositifs de stockage et de transformation de l’énergie », résume Dominique Guyomard, qui dirige la ST2E.

Batteries au lithium de nouvelle génération

L’équipe travaille par exemple sur les batteries au lithium, telles les célèbres « lithium-ion » qui ont déjà envahi notre quotidien : téléphones et ordinateurs portables, tablettes numériques, véhicules électriques… « Le lithium est un métal très énergétique, indique Dominique Guyomard. Ainsi, les batteries qui en contiennent peuvent stocker jusqu’à huit fois plus d’énergie par unité de masse que celles au plomb. » Mélanges de fibres et de nanotubes de carbone, polymères carbonés, oxyde de vanadium… avec ses collègues, le chercheur développe de nouveaux matériaux capables d’augmenter encore la « densité énergétique » des batteries au lithium, et donc leur autonomie. Leurs travaux ont déjà débouché sur des applications très concrètes… et pas des moindres ! Un exemple : l’équipe a activement contribué au développement de la batterie qui équipe les voitures électriques « Autolib » du groupe Bolloré. La ST2E travaille aussi avec d’autres industriels de renom tels Renault, Umicore… ou bien encore ST Microelectronics avec qui elle développe des micro-sources de stockage d’énergie pour composants électroniques. 

Les promesses des piles à combustibles
 
Autre champ de compétences : les piles à combustibles (PAC) capables de transformer l'énergie d’un combustible, tel l’hydrogène, en électricité et chaleur. Avantages : rendement élevé, taille compacte… et très peu de pollution. Au Japon, des PAC équipent déjà des voitures d’une autonomie de 700 km ! La ST2E, elle, cherche à améliorer les PAC fonctionnant entre 500 et 700°C utilisables dans des chaudières électrogènes, pour fournir en électricité des sites isolés… « Aujourd’hui, ces PAC s’épuisent au bout de 5 000 heures de fonctionnement, indique Olivier Joubert, le « monsieur PAC » de l’équipe. Nous développons donc de nouveaux matériaux pour augmenter leur longévité. » Exemple : un matériau nommé « BIT07 » offrant une longévité de 10 000 h ! 
Mais ces PAC peuvent aussi fonctionner au gaz naturel ou au biogaz, plus faciles d’accès que l’hydrogène. La ST2E développe donc aussi des matériaux adaptés à ces combustibles. 
Dernière piste : l’électrolyse permettrait de stocker l’électricité produite par les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques sous forme d’hydrogène… qu’une PAC pourrait ensuite reconvertir en électricité !
 
Des supercondensateurs
 
Enfin, l’équipe travaille sur les supercondensateurs. Ces dispositifs présentent deux grands atouts : une densité de puissance 10 à 100 fois plus  élevée que celle des batteries, et une longévité quasi-infinie. Certes, leur densité énergétique est moindre que celle des batteries, mais ils peuvent la restituer en quelques secondes seulement. Leurs qualités sont déjà mises à profit dans l’aéronautique (ouverture d’urgence des portes de l’A380), dans l’automobile (système Start&Go, récupération de l’énergie de freinage, démarrage à froid de camions…), dans les énergies renouvelables (mise en sécurité des pales d’éoliennes)… ou bien encore pour économiser de l’énergie sur des grues portuaires. « A la ST2E, nous développons de nouveaux matériaux (carbones modifiés, oxydes, nitrures…) surtout destinés à  augmenter la densité énergétique des supercondensateurs, sans altérer leurs autres qualités », explique Thierry Brousse, le responsable de cette thématique. L’équipe développe également de nouveaux électrolytes1 en milieu aqueux, pour remplacer les solvants usuels dont la mise en œuvre est contraignante (conditionnement sous air sec, volatilité à 70 °C…). 
Supercondensateurs, PAC, batteries lithium… autant de dispositifs complémentaires pour relever les défis énergétiques à venir !
 
1. Electrolyte : milieu dans lequel circulent les ions
 
Jean-Philippe Braly
 
 
A écouter, l'émission du Labo des savoirs qui a eu lieu en direct de l'IMN Jean Rouxel lors de la Fête de la Science 2012. Piles à combustibles, batteries lithium polymère, l'émission vous présente les technologies de demain et les enjeux du stockage de l'énergie.

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