L’énergie électrique est un pilier central de la transition énergétique. La plupart des appareils que nous utilisons ou utiliserons à l’avenir fonctionnent d’ailleurs en majorité à l’aide d’une batterie. Le besoin de solutions de stockage performantes et durables n’a donc jamais été aussi pressant. Mais, les batteries actuelles, notamment celles au lithium-ion, montrent de sérieuses limites tant en termes de coût, d’impact environnemental ou d’efficacité. Pourtant la demande exponentielle nécessite une réaction rapide du secteur. Face à ces défis, un matériau prometteur émerge : le graphène.
Dans cet article, nous vous invitons à découvrir comment le graphène est en passe de transformer l’industrie des batteries et de répondre aux enjeux énergétiques de demain.
L’impact de la production des batteries
En 2024, 17 millions de voitures électriques (100% électriques ou hybrides rechargeables) pourraient être vendues à travers le monde selon les estimations de l’Agence internationale de l’énergie (AIE). C’est 3 millions de plus que l’an passé.
Pour faire face à la demande grandissante de mobilité électrique, la production de batteries explose. Leur déploiement a d’ailleurs connu une croissance exponentielle en 2023. Le rapport spécial de l’AIE souligne qu’il a augmenté de plus de 130 % par rapport à l’année précédente.
Toutefois, les batteries à base de lithium-ion, dominant le marché, sollicitent l’utilisation de métaux rares comme le cobalt, le manganèse et le lithium. Etant donné la disponibilité limitée de ces matériaux, il est essentiel de parvenir à trouver des solutions pour optimiser leurs performances et ainsi utiliser des quantités de plus en plus limitée.
La production de batterie représente également un enjeu crucial pour réussir à atteindre les objectifs climatiques définis lors de la COP28. Il s’agit notamment de multiplier par six le stockage mondial d’énergie à l’horizon 2030.
Des problèmes de performance
Les batteries font encore l’objet de problèmes de fiabilité. Il n’est pas rare qu’elles tombent en panne ou connaissent des dysfonctionnements. Résultat : un besoin de recharger plus fréquemment ou de remplacer l’appareil défectueux.
Dans ce contexte, le marché des batteries et notamment celui des batteries lithium-ion doit impérativement se renouveler. L’enjeu est de minimiser leurs impacts sur l’environnement tout augmentant leur fiabilité et durée de vie. C’est pourquoi les acteurs du secteur se mettent en recherche de nouveaux composants permettant d’augmenter la densité énergétique, la sécurité et la longévité de la batterie. L’innovation se tourne donc vers des matériaux novateurs comme le graphène.
Objectif : améliorer les technologies de batteries existantes
Le monde doit non seulement augmenter la capacité des énergies renouvelables, mais aussi améliorer l’efficacité énergétique. Les batteries de nouvelles générations joueront un rôle clé pour y parvenir.
Elles sont essentielles pour soutenir le développement des énergies propres, l’électrification des transports et décarboner ces filières.
C’est une alternative compétitive et durable aux combustibles fossiles.
Le programme SABERS de la NASA, qui explore des solutions innovantes pour l’aviation électrique légère en est d’ailleurs un parfait exemple.
Depuis janvier 2023, le marché mondial des batteries a ainsi intensifié l’adoption du graphène.
Au Royaume-Uni, Nanotech Energy prévoit de lancer en 2026 une gigafactory de batteries lithium-ion utilisant du graphène. Plusieurs autres investissements ont été réalisés dans des entreprises de production de graphène, notamment ceux orchestrés par Evonik en février 2023 et Stellantis en mai 2023.
Les batteries à base de graphène une solution tournée vers l’avenir
Oui dans les prochaines années, les batteries composées de graphène pourraient bien s’imposer dans les transports.
Constitué d’une seule couche d’atomes de carbone disposés en réseau hexagonal, le graphène offre une conductivité électrique exceptionnelle, une grande surface spécifique ainsi qu’une légèreté et flexibilité remarquables.
Ces propriétés uniques rendraient les batteries de nouvelle génération plus performantes et durables que les traditionnelles au lithium-ion.
Grâce à la haute mobilité des porteurs de charge, les batteries intégrant le graphène promettent une vitesse de charge et de décharge nettement améliorée, tout en maintenant une stabilité thermique optimale même dans des conditions extrêmes.
L’absence de changement de volume de l’anode à chaque cycle de charge et de décharge garantirait une meilleure longévité afin d’éviter les remplacements trop fréquents.
Les batteries à base de graphène seraient donc, non seulement plus efficaces, mais également plus durables.
Côté environnement, elles solliciteraient moins de ressources rares en s’appuyant sur l’usage du carbone, un matériau qui participe à diminuer leur impact écologique.
Le graphène pour quelles applications ?
Grâce à ses propriétés remarquables, le graphène favorisera le développement de solutions de stockage d’énergie innovantes.
À terme, les batteries à base de graphène accompagneront la transformation de secteurs clés.
Avec sa flexibilité et résistance mécanique, les smartphones, tablettes et autres appareils portables profiteront d’une durée de vie de batterie plus longue et de temps de charge réduit. Les batteries seront plus fines et plus légères rendant les appareils intelligents toujours plus performants.
Les véhicules électriques (VE/VHE) bénéficieront d’une plus grande autonomie et de temps de recharge beaucoup plus court.
En matière de durabilité et d’efficacité énergétique, le secteur du stockage d’énergie aura accès à une nouvelle source de stockage pour l’énergie solaire et éolienne.
Carbon Waters développe une nouvelle gamme dédiée au stockage énergétique
Compte tenu de la très bonne compatibilité du graphène avec les autres matériaux utilisés dans les batteries Li-Ion, Carbon Waters a lancé le développement d’une nouvelle gamme destinée au stockage énergétique. Une première collaboration avec un laboratoire CNRS spécialisé dans les matériaux pour les batteries est avons entamé une série de discussions préliminaires avec des industriels et des acteurs institutionnels européens.
Nos recherches ont démontré que des formulations spécifiques développées à partir des dispersions à base de graphène (Graph’Up) de Carbon Waters sont, non seulement, très stables dans les mélanges pour batteries lithium-ion – contrairement à beaucoup d’autres solutions à base de graphène – mais qu’elles présentent également une efficacité comparable à celle des produits de référence à base de carbone actuellement utilisés dans l’industrie.
À ce jour, Carbon Waters poursuit ses développements sur le sujet et ouvre les premières discussions avec des chimistes européens experts dans la filière des batteries.
Le secteur des batteries, en particulier celles au lithium-ion, recherche activement de nouveaux matériaux capables d’augmenter la densité énergétique, la sécurité et la durée de vie des batteries. Le graphène s’annonce comme une véritable solution pour l’avenir.
Les batteries composées de graphène promettent des appareils plus performants, confortables et plus respectueux de l’environnement. Celles-ci pourraient remplacer les technologies traditionnelles et répondre aux ambitieux objectifs fixés lors de la COP28 tout en répondant à la demande mondiale croissante en stockage d’énergie.
Toutefois, l’intégration du graphène dans des batteries reste coûteuse et encore au stade de développement. Parallèlement, d’autres alternatives émergent comme les supercondensateurs ou les piles à combustibles. Associées aux avancées du graphène, ces technologies transformerons peut être à leur tour l’approche du stockage.