Une technique innovante de synthèse de nanocomposites avancés à base de graphène
Le graphène combine de manière unique une haute résistance mécanique et à la traction, une grande surface, une forte stabilité chimique et des conductivités thermique et électrique élevées. Ces propriétés lui confèrent un potentiel extraordinaire. De plus, comme il s’agit de l’un des éléments les plus abondants sur Terre, il présente également un fort intérêt du point de vue économique. Un des domaines dans lequel le graphène et les composites à base de graphène semblent très prometteurs est celui des matériaux de remplacement des électrodes dans les dispositifs de stockage d’énergie. À ce jour, le graphène a considérablement augmenté la capacité et l’efficacité des batteries Li-ion et des supercondensateurs. Il reste toutefois des obstacles à une mise en œuvre généralisée dans les applications industrielles. Le manque de méthodes viables pour produire des nanocomposites avancés à base de graphène à l’échelle industrielle et de façon rentable est en grande partie dû aux multiples transformations chimiques qui doivent être entreprises. Pour outrepasser ce problème, Gnanomat, dans le cadre du projet GRAPHEEN financé par l’UE, a utilisé une technique brevetée pour construire une usine pilote permettant de produire à grande échelle des matériaux pour les électrodes utilisées dans les dispositifs de stockage d’énergie. L’équipe a également mis en place un système de contrôle de la qualité et la phase de commercialisation est déjà en cours. Essais en laboratoire, construction de l’usine pilote, et après? Le projet a d’abord utilisé différentes techniques de caractérisation en laboratoire afin de mieux comprendre le processus de synthèse des nanomatériaux au cours de leur production. «Comprendre le mécanisme de synthèse et les problèmes de stabilité de cycle des oxydes de métaux – utilisés pour améliorer les propriétés électrochimiques du carbone – constituait un défi. Il est en effet compliqué de contrôler tous les paramètres de synthèse, comme par exemple l’oxydo-réduction (redox) pour les réactions brèves», explique la Dre Alejandra García, coordinatrice du projet. Les nanomatériaux ont ensuite été évalués pour déterminer s’ils convenaient aux électrodes des dispositifs de stockage d’énergie, et les plus prometteurs ont été sélectionnés pour l’usine pilote. Le principal défi de la fabrication de dispositifs de stockage d’énergie consiste à améliorer les paramètres électrochimiques de la densité énergétique (la quantité de charge qu’un appareil peut stocker puis délivrer), de la densité de puissance (la vitesse à laquelle l’appareil peut délivrer l’énergie) et de son cycle de vie, tout en réduisant le coût par kWh généré. L’usine pilote de GRAPHEEN a utilisé la technique brevetée Gnanomat, respectueuse de l’environnement et ne comportant qu’une étape unique et sûre, pour la production de nanocomposites avancés à base de graphène. Le processus de mise à l’échelle est effectué en milieu liquide. Lorsque les propriétés des produits peuvent être déterminées, en contrôlant les paramètres de synthèse, il est possible d’utiliser une procédure ne nécessitant pas de pressions ou de températures élevées. Les solvants utilisés sont d’usage courant dans l’industrie et ne présentent aucun danger en termes de toxicité ou de volatilité. Des mesures de contrôle de la qualité ont également été appliquées aux cycles de production de l’usine pour garantir que ces nanomatériaux optimisés répondent aux normes attendues par le marché. «Ce moyen relativement simple, évolutif et rentable de produire des nanocomposites avancés à base de graphène a le potentiel de devenir la référence absolue», déclare la Dre García. «À la fin du projet, nous étions capables de développer des nanomatériaux avancés affichant de bonnes réponses électrochimiques.» Un potentiel révolutionnaire Étant donné la quantité d’activités humaines dépendant des dispositifs de production et de stockage de l’énergie, tout matériau capable d’en améliorer l’efficacité et d’en réduire le prix est susceptible de provoquer un bouleversement positif considérable. Les nanocomposites pourraient également contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre en améliorant les capacités des énergies renouvelables, des véhicules électriques ou des appareils électroniques. Actuellement, la technologie se trouve toujours au stade pré-industriel. Pour progresser vers une offre à grande échelle, prête pour le marché et ciblant les fabricants et les assembleurs, Gnanomat développe actuellement un partenariat stratégique avec le groupe de matériaux d’ingénierie Versarien.
Mots‑clés
GRAPHEEN, graphène, nanocomposites, énergie, dispositif de stockage d’énergie, énergie, électrochimique, carbone, batteries
