Des batteries sans métaux : un enjeu écologique et économique

Les batteries lithium-ion actuelles reposent largement sur l’utilisation de métaux critiques, parfois toxiques, dont l’extraction et le recyclage posent des problèmes environnementaux et géopolitiques. Depuis plusieurs années, les scientifiques explorent donc des alternatives comme les batteries organiques, fabriquées à partir de molécules riches en carbone, hydrogène et azote. Ces matériaux présentent plusieurs avantages : une synthèse moins énergivore partant de ressources largement abondantes, une meilleure recyclabilité et surtout une grande liberté de conception chimique. Ils ouvrent même la voie à des batteries moléculaires entièrement dépourvues de métaux de type « anion-ion ». Un défi important demeure toutefois : identifier des matériaux pour l’électrode négative capables de fonctionner à bas potentiel tout en conservant leur stabilité au fil des cycles de charge et de décharge.

Dans ce contexte, des scientifiques allemands de l’Université d’Ulm et français de l’Institut des matériaux de Nantes Jean Rouxel (CNRS/Nantes Université) se sont intéressés à une famille de molécules appelées « super-donneurs d’électrons ». Ces composés, très riches en électrons, peuvent facilement les céder lors de réactions électrochimiques. L’équipe a intégré pour la première fois l’un de ces motifs chimiques, basé sur le bi(benzimidazole), dans plusieurs polymères destinés à servir d’électrodes négative de ce type de batterie anion-ion. Deux de ces matériaux ont montré un comportement particulièrement intéressant : ils fonctionnent autour de 2,1 V vs Li+/Li, une valeur remarquablement basse pour ce type de polymères organiques.

Si les polymères testés ont démontré une capacité à stocker et libérer de l’énergie électrique de manière réversible, leur performance diminue cependant après plusieurs cycles. L’équipe propose une piste pour expliquer ce phénomène : lors des réactions électrochimiques, les molécules réduites pourraient se transformer temporairement en « carbènes », des espèces chimiques très réactives capables d’endommager progressivement le matériau. Ces résultats guideront les futures recherches pour concevoir des matériaux organiques à base de super-donneurs d’électrons plus stables et performants.

Les polymères étudiés démontrent néanmoins qu’il est possible d’obtenir des matériaux fonctionnant à basse tension sans recourir à des métaux. Ils soulignent aussi l’importance cruciale de la stabilité chimique. Les futurs travaux devront désormais concevoir des architectures moléculaires capables de conserver les propriétés électroniques du bi(benzimidazole) tout en empêchant la formation de ces espèces réactives. Une étape indispensable avant d’envisager des batteries organiques réellement durables et compétitives.
Rédacteur : AVR