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Electrochimie «grande consommation»12 novembre 2015
Super-écologique: «l’accumulateur à l’or des fous»
Les accumulateurs lithium-ions hautes performances ont un problème: tôt ou tard les ressources de lithium vont se faire rares car la production de voitures électrique et d’accumulateurs stationnaires va sans cesse en augmentant. Des chercheurs de l’Empa et de l’EPF de Zurich ont cependant découvert une solution: «l’accumulateur à l’or des fous». Il se compose fer, de soufre et de magnésium – des éléments dont les ressources sont quasiment inépuisables – et il permettrait de réaliser à faible coût d’énormes accumulateurs stationnaires dans les bâtiments ou à proximité des centrales électriques.

La clé du succès: la pyrite (or des fous) utilisée comme matériau pour la cathode.
(Photo: JJ Harrison/commons.wikimedia.org)

La recherche d’accumulateurs bon marché pour le stockage de l’électricité est une affaire urgente: de plus en plus souvent, la production irrégulière d’éco-courant amène les réseaux de distribution conventionnels à leur limite de charge. Pour y pallier, il faudrait disposer d’accumulateurs temporaires raccordés à un réseau intelligent (smart grid). Le nombre des voitures électriques, qui doivent pouvoir recharger leur accumulateur rapidement, va lui aussi s’accroître. Les puissants accumulateurs lithium-ions bien connus sont mal adaptés pour servir d’accumulateurs temporaires; ils sont trop chers et le lithium va se faire rare. Ce qu’il faut, c’est une alternative bon marché – un accumulateur utilisant des ingrédients peu coûteux et disponibles en masse. L’électrochimie est toutefois une chose assez compliquée: tout ce qui est bon marché ne permet pas forcément de fabriquer un accumulateur.

Sûr, durable et avantageux

Maksym Kovalenko, Marc Walter et leurs collègues du laboratoire «Films minces et photovoltaïque» de l’Empa sont parvenus à résoudre en quelque sorte la quadrature du cercle: l’équipe de Kovalenko a combiné une anode de magnésium avec un électrolyte de magnésium et d’ions sodium. La cathode est elle formée de nanocristaux de pyrite – aussi dénommée «l’or des fous», parce que lors de la ruée vers l’or, à cause de son éclat et de sa couleur, les prospecteurs inexpérimentés la confondaient souvent avec ce métal précieux. La pyrite est du sulfure de fer cristallin formé de fer et de soufre. Lors de la décharge de l’accumulateur, les ions sodium de l’électrolyte migrent dans la cathode et lors de sa recharge la pyrite cède à nouveau les ions sodium. Cet accumulateur, dénommé accumulateur hybride sodium magnésium, fonctionne déjà en laboratoire et présente plusieurs avantages: le magnésium est plus sûr que le lithium car il brûle moins facilement. Et le prototype de laboratoire de cet accumulateur a déjà subi 40 cycles de charge décharge sans perte de capacité – un résultat prometteur qui invite littéralement à poursuivre son optimisation.


Nanocristaux de pyrite sous le microscope électronique: c’est avec de tels cristaux qu’est confectionnée la cathode de «l’accumulateur à l’or des fous» (Photo: Empa)



Le plus gros avantage de cet accumulateur est que ses composants sont très bon marché et disponibles en quantités quasiment inépuisables: les nanocristaux de sulfure de fer peuvent être obtenus par exemple en broyant à sec du fer métallique et du soufre dans un broyeur à billes conventionnel. Le fer, le magnésium, le sodium et le soufre comptent parmi les éléments le plus abondants dans la croute terrestre et viennent se ranger au 4e, 6e, 7e et 15e rang par ordre d’abondance. Un kilogramme de magnésium coûte ainsi moins de quatre francs, soit 15 fois moins que le lithium. On peut encore faire des économies lors de la fabrication de cet accu bas prix: les accumulateurs Li-ions demandent des feuilles de cuivre relativement chères pour collecter et conduire le courant. Sur l’accumulateur à l’or des fous, des feuilles d’aluminium bon marché suffisent.

Un potentiel de stockage égal à la production annuelle de courant de la centrale nucléaire de Leibstadt

Ces chercheurs pensent que le potentiel de leur développement réside avant tout dans la construction de grands accumulateurs connectés au réseau. En effet l’accumulateur à l’or des fous n’est pas adapté pour les voitures électriques car sa puissance est trop faible. Mais là où ce sont les critères de coût, de sécurité et d’écologie qui prédominent, cette technique présente des avantages. Dans leur article récemment publié dans la revue scientifique «Chemistry of Materials», les chercheurs de l’Empa proposent la construction d’accumulateurs d’une capacité de l’ordre de plusieurs térawattheures. Un tel accumulateur serait, par exemple, en mesure de stocker la production annuelle de la centrale nucléaire suisse de Leibstadt. «Le potentiel de cet accumulateur n’est pas encore totalement épuisé», déclare Kovalenko qui, parallèlement à ses activités de recherche à l’Empa, est professeur dans le département de chimie et des biosciences appliquées à l’EPF de Zurich. «En améliorant encore l’électrolyte, il est certainement possible d’augmenter encore la tension et la durée de vie des accumulateurs hybrides sodium magnésium.» Et il ajoute encore: «Nous sommes à la recherche d’investisseurs qui nous soutiennent dans notre recherche sur la voie de l’ère post-lithium et qui sont disposés à lancer sur le marché cette technologie d’avenir.»

Les illustrations peuvent être téléchargées sous https://flic.kr/s/aHskp9gx9C


 
  • Bibliographie:  Efficient and Inexpensive Sodium–Magnesium Hybrid Battery, M Walter, KV Kravchyk, M Ibáñez, MV Kovalenko,
    Chem Mater, 2015, 27 (21), pp 7452–7458, DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b03531 (http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.5b03531)

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