La Batterie au Graphène

Les grandes puissances de ce monde semblent vouloir nous préparer au tout électrique, et on les voit arriver fort avec l’augmentation fulgurante du prix de l’essence. Mais on le sait déjà, c’est pas l’option la plus durable quand on regarde le début de la chaîne. Par contre on est tombé sur un matériau du même style mais aux propriétés hallucinante, le graphène !

D’OÙ VIENT LE GRAPHÈNE ? 

Les plus traces d’utilisation moderne du graphite datent d’il y’a plusieurs siècles, en Chine, pour en faire de l’encre, puis au 17ème siècle dans les mines britanniques de Seathwaite pour la confection les mines des crayons de bois. C’est son utilisation la plus courante. Le graphite est un minerai qui est une forme naturelle du carbone pur. Il peut être formé à partir de charbon organique, lui-même très abondant. Il est très présent sous la croûte terrestre et on ne lui connaît aucun problème de ressources pour le moment. Les gisements peuvent se trouver partout dans le monde ; les principaux pays les exploitant sont les USA, le Mexique, la Chine, le Canada, les Royaumes Unis, l’Inde, ou encore la Russie, et le top 3 des réserves mondiales se lit dans ce sens : Turquie > Chine > Brésil.  

Il est où le graphène dans tout ça ? 

C’est un composé du graphite découvert à Manchester en 2004 par le professeur russe Andre Geim. On peut l’obtenir par plusieurs méthodes naturelles et artificielles mais la plus efficace reste la réaction chimique. Il s’agit de séparer et isoler les atomes de carbone puis de les forcer à se réarranger en molécule de graphène en les chauffant. Ça donne une pellicule très fine dont les atomes adoptent une formation hexagonale (s/o les alvéoles dans les ruches), qui lui donne des propriétés exceptionnelles ! Il est plus connu pour : 

  • Sa solidité : c’est une matière à la fois très rigide et souple. Il faut mettre jusqu’à 200 fois plus de force que l’acier pour rompre ses liaisons au niveau moléculaire. Il présente également une hyper flexibilité quand dans l’eau, et ces propriétés peuvent être renforcées en fonction des formes données aux feuillets et au nombre de couches superposées. 
  • Sa conductivité électrique : Le graphène est réputé pour sa grande conductivité électrique. Les électrons s’y déplacent en effet jusqu’à 150 fois plus vite que dans le silicium, et la finesse des feuillets laisse plus de place, donc une plus grande quantité d’électrons passer. 
  • Sa conductivité thermique : De base, le graphite a une résistance très élevée à la chaleur (point de fusion à 3500 °C). Grâce à sa formation hexagonale, il permet à la chaleur de circuler plutôt que s’accumuler en un point. Elle est 80 fois supérieure à celle du silicium des batteries habituelles. 

LES BATTERIES AU GRAPHÈNE 

À la base, les batteries fonctionnent grâce une réaction chimique qui fait circuler les électrons dans un sens précis. Elle se compose de plusieurs piles contenant chacune un accumulateur et des électrodes baignant dans de l’électrolyte (un mélange d’eau et d’acide sulfurique). Quand une tension est appliquée, l’électrode négative libère des électrons vers l’électrode positive, ce qui met l’électricité en mouvement, l’accumulateur la retient. 

Aujourd’hui, la batterie Lithium-ion est la plus efficace du marché. Elle équipe la majorité des appareils électroniques rechargeables du quotidien (smartphone, PC, manettes, …) et moyens des transports (voitures, trottinettes, …). Elle possède la plus grande densité énergétique, ce qui est aussi un inconvénient. On se souvient tous du Samsung Galaxy Note 7 rapatrié en masse pour cause d’explosion … Ici le graphène rendrait nul les risques d’inflammation, il a déjà prouvé pouvoir fonctionner parfaitement à 60°C là où un smartphone surchauffe à 50°C. La marque travaille sur une batterie graphène/li-ion qui chargerait complètement en 30 minutes. Une association qui peut augmenter les capacités de stockage de 45% sans agrandir la batterie ! Huawei le teste sur un système de refroidissement. Du côté de l’automobile, GAC annonce un SUV électrique avec une batterie full graphène capable de se charger complètement en 16 minutes et d’une autonomie de 1000 km (très chauds !). Alors qu’il faut environ 2h aux VE actuels pour se charger entièrement (± 300 km d’autonomie)..

Un grand nombre de variantes sont possibles, remplacer/recouvrir les parties les plus fragiles par du graphène, fabriquer entièrement un produit dans le minéral, … L’idée reste la même, améliorer toutes les performances en réduisant la perte de matière. Une plus grande capacité de stockage, une résistance accrue aux déformations et à la chaleur, ainsi qu’une composition chimique réduite qui rallonge la durée de vie, et une vitesse de chargement jusqu’à 5 fois plus rapide ! Le tout pouvant être appliqué aussi bien à un smartphone qu’à un avion, ou même une centrale nucléaire et remplacerait donc les piles alcalines, les batteries au lithium, les piles à combustible et les produits chimiques. 

UNE RESSOURCE ÉNERGÉTIQUE SANS PAREIL 

Tu l’as compris, ses propriétés sont tellement nombreuses qu’il serait dommage de le limiter à la simple fabrication de batteries. Il sert dans l’automobile pour des pneus et des plaquettes de freins, dans la métallurgie pour les moules des fonderies, dans la peinture pour la rendre anticorrosive ou antistatique, pour la confection de raquettes, dans la nanotechnologie pour les composants électroniques … et même comme filtre (récemment interdits dans les masques “noirs” FFP2). Mais son utilisation la plus attendue et révolutionnaire reste dans l’énergie, pour les panneaux solaires. En associant ses caractères hydrophobe et électromagnétique, on pourra sans doute produire de l’électricité grâce à la pluie ! Ses ions positifs captent les électrons des sels minéraux présents dans les gouttes d’eau, qui, en se liant, crée un courant électrique >>>> Un panneau solaire qui fonctionne même sous la tempête (c’est pas beau la science ?) En plus de pouvoir devenir souple, fin et néanmoins bien plus performant ! 

Malheureusement, le graphite est partout mais le graphène reste plus compliqué et coûteux à obtenir. Le graphène synthétique a un rendu d’une grande pureté (99%) mais en fabriquer une tonne revient entre 7000 et 20 000$ aux chimistes. Alors qu’une tonne de graphite coûte entre 400 et 2000$ selon sa pureté à l’extraction. Et même si c’est un minéral plus facilement accessible que les autres métaux et terres rares, la méthode d’extraction reste le forage qui déforme le paysage et pollue les alentours. Sans compter que la fabrication synthétique repose sur le pétrole. 

Le graphène est une matière miracle des plus polyvalentes qui existe ! Et elle vient d’un minéral présent partout dans le monde. Seulement, comme toute matière nécessitant une grosse transformation, il n’est pas prêt d’arriver chez nous et est encore loin d’être accessible financièrement. On compte sur la R&D pour enfin nous faire passer à un niveau supérieur de capacité et de responsabilité écologique

Aller je te laisse approfondir toi-même, la bise !

PS : C’est la Chine qui possède le monopole du graphène car il est possible de l’extraire du charbon. Avec 73 % de la production mondiale, elle en fixe les prix comme les Émirats Arabes Unis avec le pétrole. 

Pour aller plus loin ?

On a également un article sur les véhicules électriques si tu veux compléter, hésite pas petit curieux !

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