Voitures éléctriques : Comment les arbres pourraient être la prochaine source de batteries durables

Il y a environ 8 ans, un grand producteur de papier finlandais a réalisé que le monde était en train de changer.

L'essor des médias numériques, le déclin de l'imprimerie de bureau et le fait que de moins en moins de personnes envoient des documents par la poste, entre autres facteurs, ont fait que le papier a entamé un déclin constant.

Stora Enso, en Finlande, se décrit comme "l'un des plus grands propriétaires forestiers privés du monde".

À ce titre, elle possède un grand nombre d'arbres qu'elle utilise pour fabriquer des produits en bois, du papier et des emballages, par exemple.

Désormais, elle souhaite également produire des batteries pour les véhicules électriques qui se rechargent en huit minutes seulement.

La société a engagé des ingénieurs pour étudier la possibilité d'utiliser la lignine, un polymère présent dans les arbres.

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Un arbre est composé d'environ 30 % de lignine, selon l'espèce, le reste étant constitué en grande partie de cellulose.

"La lignine est la colle des arbres qui lie les fibres de cellulose entre elles et rend également les arbres très rigides", explique Lauri Lehtonen, responsable de la solution de batterie à base de lignine de Stora Enso, Lignode.

La lignine contient du carbone. Et le carbone est un excellent matériau pour un composant vital des batteries appelé anode.

La batterie lithium-ion de votre téléphone a très certainement une anode en graphite. Le graphite est une forme de carbone avec une structure en couches.

Les ingénieurs de Stora Enso ont pensé pouvoir extraire la lignine des déchets de pâte à papier déjà produits dans certaines de leurs installations et la traiter pour en faire un matériau en carbone pour les anodes de batteries.

L'entreprise s'est associée à la société suédoise Northvolt et prévoit de fabriquer des batteries à partir de 2025.

Une demande accrue de batteries

Comme de plus en plus de personnes achètent des voitures électriques et stockent de l'énergie à la maison, la demande mondiale de batteries devrait augmenter considérablement dans les années à venir.

Comme le voit Lehtonen : "La demande est extraordinaire".

En 2015, quelques centaines de gigawattheures (GWh) supplémentaires étaient nécessaires chaque année à partir du stock mondial de batteries, mais ce chiffre passera à des milliers de GWh supplémentaires par an d'ici 2030, à mesure que le monde s'éloignera des combustibles fossiles, selon le cabinet de conseil McKinsey.

Le problème est que les batteries lithium-ion d'aujourd'hui reposent largement sur des processus industriels et miniers qui nuisent à l'environnement.

En outre, certains des matériaux contenus dans ces piles sont toxiques et difficiles à recycler. Nombre d'entre eux sont également originaires de pays dont les politiques en matière de droits de l'homme sont médiocres.

La fabrication de graphite synthétique, par exemple, implique de chauffer du carbone à des températures allant jusqu'à 3000°C pendant des semaines.

Selon le cabinet de conseil Wood Mackenzie, l'énergie nécessaire provient souvent de centrales électriques au charbon en Chine.

Les arbres seraient la clé

La recherche de matériaux de batterie durables et largement disponibles est en cours. Certains disent qu'on peut les trouver dans les arbres.

En général, toutes les batteries ont besoin d'une cathode et d'une anode, qui sont les électrodes positives et négatives, respectivement, entre lesquelles circulent des particules chargées appelées ions.

Lorsqu'une batterie est chargée, les ions de lithium ou de sodium, par exemple, sont transférés de la cathode à l'anode, où ils sont stockés comme des voitures dans un parking à étages, explique Jill Pestana, une scientifique et ingénieure spécialisée dans les batteries, basée en Californie, qui travaille désormais comme consultante indépendante.

"La principale propriété que l'on recherche dans cette structure de stockage d'un matériau est qu'il peut facilement absorber du lithium ou du sodium et le laisser partir, sans se désagréger", explique-t-elle.

Lorsque la batterie est déchargée pour alimenter quelque chose comme une voiture électrique, les ions retournent à la cathode après avoir libéré des électrons. Les électrons se déplacent ensuite dans le fil dans un circuit électrique, transférant l'énergie au véhicule.

Selon M. Pestana, le graphite est un matériau "spectaculaire" car il fonctionne très bien comme une anode fiable qui permet à de telles réactions de se produire.

Les alternatives qui incluent des structures de carbone dérivées de la lignine sont mises au défi de prouver qu'elles sont à la hauteur.

Cependant, plusieurs entreprises explorent le potentiel de la lignine dans le développement de batteries, comme Bright Day Graphene en Suède, qui produit du graphène, une autre forme de carbone, à partir de la lignine.

M. Lehtonen souligne les vertus du matériau d'anode en carbone de son entreprise, que Stora Enso a baptisé Lignode.

Il ne révèle pas exactement comment l'entreprise convertit la lignine en une structure de carbone dur, ni ce qu'est exactement cette structure.

Mais il précise que le processus implique de chauffer la lignine, bien qu'à des températures moins élevées que celles requises pour la production de graphite synthétique.

Selon M. Lehtonen, la structure de carbone ainsi obtenue présente une caractéristique importante : elle est "amorphe" ou irrégulière : "Elle permet en fait une mobilité beaucoup plus grande des ions à l'entrée et à la sortie".

Stora Enso affirme que cela l'aidera à fabriquer une batterie lithium-ion ou sodium-ion pouvant être chargée en huit minutes seulement. La recharge rapide est un objectif clé pour les développeurs de batteries de véhicules électriques.

"La lignine est cool".

Des recherches distinctes sur les anodes en carbone dérivées de la lignine, menées par Magda Titirici et ses collègues de l'Imperial College London au Royaume-Uni, suggèrent qu'il est possible de fabriquer des structures conductrices contenant des éléments de carbone irréguliers avec de nombreux défauts riches en oxygène.

Selon M. Titirici, ces défauts semblent augmenter la réactivité de l'anode avec les ions transférés depuis la cathode dans les batteries sodium-ion, ce qui raccourcit les temps de charge.

"Cette structure conductrice est fantastique pour les batteries", dit-il.

Wyatt Tenhaeff, de l'Université de Rochester dans l'État de New York, a également fabriqué des anodes dérivées de la lignine en laboratoire.

La lignine est "vraiment cool", note-t-il, car c'est un sous-produit qui pourrait avoir de nombreuses utilisations potentielles.

Au cours de leurs expériences, ses collègues et lui ont découvert qu'ils pouvaient utiliser la lignine pour fabriquer une anode dotée d'une structure autoportante, qui ne nécessitait ni colle ni collecteur de courant à base de cuivre, un composant courant des batteries lithium-ion.

Bien que cela puisse réduire le coût des anodes en carbone dérivées de la lignine, l'expert doute qu'elles puissent concurrencer commercialement les anodes en graphite.

"Je ne pense pas qu'il s'agira d'un changement suffisamment important en termes de coût ou de performance pour remplacer le graphite habituel", déclare-t-il.

Respect de l'environnement

Il y a aussi la question de la durabilité.

Chelsea Baldino, chercheuse au Conseil international pour le transport propre, affirme que tant que la lignine utilisée pour la production d'anodes est extraite comme sous-produit du processus de fabrication du papier, aucun arbre supplémentaire ne sera abattu pour fabriquer des piles.

Un porte-parole de Stora Enso confirme que toute la lignine utilisée par l'entreprise est actuellement "un flux secondaire du processus de fabrication de la pâte" et que son utilisation n'augmente pas le nombre d'arbres abattus ni le volume de bois utilisé pour la production de pâte.

Cependant, quiconque cherche à fabriquer des anodes à partir de lignine doit s'assurer de l'origine de cette lignine afin qu'elle soit également durable, ajoute M. Pestana.

"Si l'industrie de la pâte à papier n'est pas durable, alors le matériau lui-même n'est pas un matériau dérivé durable", explique-t-il.

Selon le rapport annuel 2021 de Stora Enso, l'entreprise "connaît l'origine de tout le bois qu'elle utilise et 100 % provient de sources durables".

Alternatives

Outre les anodes, il existe au moins un autre moyen d'utiliser la lignine dans les batteries.

En avril, une équipe de recherche italienne a publié un article sur ses efforts pour développer un électrolyte à base de lignine.

C'est le composant qui se trouve entre la cathode et l'anode : il aide les ions à circuler entre les électrodes, mais force également les électrons à prendre le chemin souhaité dans le circuit électrique auquel la batterie est connectée.

En d'autres termes, il empêche les électrons de simplement rebondir entre les électrodes, ce qui tuerait votre smartphone.

Les polymères pour les électrolytes peuvent être obtenus à partir du pétrole, explique Gianmarco Griffini de l'Université polytechnique de Milan.

Mais il ajoute qu'il serait bénéfique de trouver des sources alternatives et durables à la place.

Le spécialiste explique que l'idée d'utiliser la lignine lui est venue après que lui et ses collègues aient expérimenté l'utilisation de ce matériau dans des panneaux solaires, avec des résultats légèrement décevants.

"Les rendements obtenus dans les cellules solaires sont relativement limités, car la lignine est brune et absorbe donc une partie de la lumière", explique-t-il. Dans les batteries, cela n'a pas d'importance.

Pour la production d'anodes, la lignine est traitée thermiquement pour la décomposer en ses carbones constitutifs.

Mais M. Griffini, un "polymériste", comme il se décrit lui-même, dit qu'il préfère l'utiliser sous sa forme polymère.

Dans cette optique, son équipe a mis au point un électrolyte en gel polymère qui facilite le mouvement des ions dans une batterie expérimentale au potassium. "Ça s'est plutôt bien passé", dit-il.

La viabilité commerciale de toutes ces idées reste à démontrer.

Toutefois, M. Titirici ajoute qu'en théorie, on pourrait fabriquer une batterie utilisant des polymères de lignine dans l'électrolyte, ainsi que des carbones dérivés de la lignine dans l'anode.

Vous pourriez peut-être même l'utiliser pour alimenter la dernière génération d'appareils électroniques à base de cellulose - une technologie parfaite pour votre cabane dans les arbres, n'est-ce pas ? Ou serait-ce aller trop loin ?