Pour respecter les accords de Paris sur le climat, l’Union Européenne au travers du Green Deal et la France avec le plan de relance ont fixé l’objectif ambitieux de la neutralité carbone d’ici 2050, notamment en favorisant l’utilisation d’électricité renouvelable produite à partir du vent et du soleil comme sources primaires d’énergie. Cependant, en raison de l’intermittence de production d’énergie électrique inhérente à ces technologies et des surplus d’électricité qu’elles peuvent générer sur certaines périodes, la nécessité d’un stockage tampon de cette énergie électrique pour une utilisation ultérieure s’impose. Une des solutions envisagées est le stockage de ces énergies dans des batteries Ces générateurs électrochimiques sont adaptés à la fois à des applications embarquées et stationnaires.

Les batteries actuelles (en particulier les technologies Li-ion) procurent une forte densité massique de puissance permettant une forte accélération. Néanmoins, ces dernières ne permettent pas l’obtention d’une autonomie élevée en raison de leur faible densité d’énergie massique (de l’ordre de 200 Wh kg^-1 pour les technologies actuelles). Par ailleurs, au niveau mondial, en 2021, seuls 4% des véhicules vendus possédaient une motorisation électrique. Il est estimé que ce chiffre augmentera à 30% à l’horizon 2030. L’augmentation la plus importante aura lieu sur le continent européen puisque le chiffre précédent atteindra plus de 50%. L’augmentation de l’attrait des véhicules électriques entraîne l’apparition de nouveaux risques dans la chaîne d’approvisionnement en particulier pour l’Europe (risque géopolitique, risque de manque d’éléments tels que Li et Co pour la réalisation des matériaux d’électrode). Ces limitations à l’expansion des technologies Li-ion invite à trouver des technologies alternatives pour de nombreuses applications.

La prochaine révolution dans le domaine des batteries pourrait provenir des technologies métal air et en particulier de la technologie Zn/air. Le zinc est un métal particulièrement intéressant en raison de son abondance et de l’absence de contraintes éthiques ou géopolitiques liées à son exploitation et à son utilisation. Les systèmes Zn/air permettent d’envisager des densités d’énergie pratique de l’ordre de 300 à 500 Wh kg^-1, permettant de cibler l’alimentation de dispositifs nécessitant une forte autonomie. Par ailleurs, un coût de stockage de l’ordre de 50 €/kWh peut être atteint contre 150 €/kWh avec le Li-ion, technologie pour laquelle les progrès de la chimie et de l’ingénierie des systèmes conduiront uniquement à des améliorations incrémentales tant en termes de coût que de densité d’énergie. Enfin, au sein des systèmes Zn/air, l’utilisation d’un électrolyte aqueux permet de minimiser l’empreinte environnementale de l’application, d’améliorer sa recyclabilité et de renforcer la sécurité liée à son utilisation.

Néanmoins, les batteries Zn/air électriquement rechargeables sont des systèmes électrochimiques à maturité technologique faible. Le soutien à la recherche dans la mise en place de ces nouvelles technologies au sein de la grille énergétique est donc essentiel pour accélérer leur émergence industrielle. Des efforts doivent notamment être consacrés tant sur le développement des matériaux d’électrodes que sur celui des systèmes et ce, afin d’augmenter l’efficacité énergétique (plus de 70%), la cyclabilité (plus de 3000 cycles avec des profondeurs de décharge supérieures à 50%), la densité d’énergie spécifique (supérieure à 350 Wh kg^-1) et de diminuer autant que possible l’empreinte environnementale et le coût (inférieur à 50 €/kWh). Les deux projets (MABATRI et PLATABAT) financés par l’Union européenne et la Région Nouvelle Aquitaine permettront de développer des matériaux d’électrodes innovants pour améliorer les performances électriques des systèmes Zn/air.

Ce projet est réalisé en collaboration étroite entre 3 laboratoires localisés sur le parc universitaire poitevin, à savoir l’Institut Pprime, le Laboratoire d’Informatique et d’Automatique pour les Systèmes (LIAS) et l’Institut de Chhttps://pprime.fr/imie des Milieux et des Matériaux de Poitiers (IC2MP).

Le premier objectif de ce projet consiste à développer des matériaux catalytiques actifs et stables pour l’électrode positive qui ne comportent pas d’éléments stratégiques. Ces matériaux seront synthétisés grâce au développement de procédés propres et éco-efficients (voie solvothermale, utilisation de micro-ondes).

Le second objectif consiste à étudier l’augmentation des performances catalytiques des matériaux d’électrode positive par application d’une méthode d’activation innovante (champ magnétique stationnaire) ce qui permettra de poser les bases pour l’élaboration de systèmes de seconde génération présentant des performances électriques améliorées.

Le troisième objectif vise l’amélioration de la compréhension des phénomènes de transferts de charge (distribution) aux interfaces électrodes/électrolytes pour augmenter leur efficacité

Le quatrième objectif consiste à développer un outil de supervision permettant la caractérisation en ligne de la performance, la fiabilité et l’état de santé des batteries. La connaissance précise et rapide de l’état de vieillissement du système étudié permettra d’établir un diagnostic permettant une gestion optimisée de celui-ci.

Ce projet est réalisé en collaboration étroite entre 2 laboratoires localisés sur le parc universitaire poitevin, à savoir l’Institut Pprime et l’Institut de Chimie des Milieux et des Matériaux de Poitiers (IC2MP).

Le premier objectif de ce projet réside dans le développement de matériaux pour l’électrode positive exhibant des performances accrues. Le développement de ces matériaux sans métaux noble devrait permettre d’augmenter fortement l’efficatcité énergétique des systèmes (au-delà de 70%).

Le second objectif vise à mieux appréhender les phénomènes accompagnant le transfert de charge à l’interface électrode positive/électrolyte. La production de connaissance nouvelle sur la structure de la double couche électrochimique pendant l’acte réactionnel permettra d’identifier les phénomènes limitants et d’améliorer la composition des catalyseurs et de l’électrolyte.

Le troisième objectif de ce projet consiste à développer des matériaux d’électrode négative permettant de s’affranchir des limitations actuelles à savoir corrosion du zinc par réaction avec l’eau, dépôt dendritique du zinc lors de la charge de l’accumulateur, compétition entre dépôt du zinc et réaction de dégagement d’hydrogène lors de la charge.

Le quatrième objectif consistera à mettre en place des procédés chimiques permettant la récupération des matières premières au sein d’un accumulateur usagé. En effet, l’implémentation de la grille énergétique avec la technologie Zn/air impliquera son déploiement à grande échelle et engendrera donc la consommation de ressources (métaux employés à l’électrode positive, zinc) pour la fabrication des cellules. Afin de ne pas créer de tension sur les chaînes d’approvisionnement en raison de problématiques écologique, éthique ou géopolitique, il est nécessaire de penser en amont à la mise en place de procédés chimiques permettant la récupération des matières premières en vue de leur recyclage.

Le cinquième objectif consiste à évaluer l’inflammabilité et la combustibilité des accumulateurs développés. La sécurité est une problématique située au cœur du développement des batteries. Même si les systèmes métal-air emploient des électrolytes aqueux réduisant les problématiques d’inflammabilité, le risque associé à l’apparition de court-circuits suite à la croissance de dendrites lors des cycles charge/décharge doit être évalué.