Compte tenu de la demande croissante de stockage d’énergie pour la transition énergétique, il existe un besoin urgent de technologies de batterie rentables, sûres et économes en ressources. Les batteries sodium-ion à base de matériaux disponibles localement et respectueuses de l’environnement offrent une approche prometteuse. Les chercheurs de Fraunhofer et leurs partenaires du projet travaillent sur un système de batterie sodium-ion à base de lignine, un sous-produit de l’industrie du bois et de la pâte à papier.
La lignine, un biopolymère, est un composant clé du bois, lui donnant sa stabilité. En tant que sous-produit de l’industrie du papier, il est généralement brûlé pour générer de l’énergie. Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les technologies et les systèmes céramiques IKTS et de l’Université Friedrich-Schiller-Jena – tous deux partenaires du Centre pour l’énergie et la chimie de l’environnement Jena (CECE) – ont eu une meilleure idée.
Dans le projet ThüNaBsE (Thuringia Sodium-Ion Battery for Scalable Energy Storage), financé par l’État libre de Thuringe et le Fonds social européen, les chercheurs développent et évaluent un nouveau type de sodium.
Le projet vise à soutenir l’indépendance croissante vis-à-vis des matières premières critiques tout en favorisant la transition vers des batteries moins chères, plus durables et plus sûres. Un autre objectif du projet est de soutenir les chercheurs juniors en Thuringe. C’est pourquoi plusieurs chercheurs en devenir, qui terminent actuellement leurs doctorats dans les domaines de la recherche sur l’énergie et la batterie, sont impliqués dans le projet ThüNaBsE.
Lignine: Transformer un sous-produit en recyclable
La lignine se compose principalement de blocs de construction d’hydrocarbures, qui peuvent être utilisés pour une variété d’applications chimiques, y compris le matériau d’électrode pour les batteries. Dans le projet, la matière première biosourcée doit être utilisée pour l’électrode négative. « Nous voulons éviter les métaux critiques tels que le lithium, le cobalt et le nickel dans la chaîne de valeur de la batterie. Nous visons également à minimiser la teneur en fluor dans les électrodes et les électrolytes, et nous testons dans quelle mesure nous pouvons l’éliminer. Cependant, le projet se concentre principalement sur le traitement de la lignine locale disponible et de haute qualité en électrodes haute performance pour nos batteries sodium-ion », précise Lukas Medenbach, chercheur à Fraunhofer IKTS à Arnstadt, la porte d’entrée de la forêt de Thuringe.
La lignine utilisée dans le projet est fournie par Mercer Rosenthal GmbH. Dans des conditions inertes, il est transformé thermiquement en carbone, qui est ensuite transformé en électrodes. « Nos partenaires de projet de l’Institut de chimie technique et de chimie de l’environnement de l’Université Friedrich-Schiller, dirigé par le professeur. Martin Oschatz, utilisez des procédés thermiques pour transformer la lignine en ce que nous appelons le carbone dur. La structure de ce carbone dur est très adaptée au stockage réversible des ions sodium. Le carbone dur offre de hautes performances électrochimiques, une bonne stabilité de cycle et de faibles coûts d’acquisition, surtout s’il est obtenu à partir de matières premières durables », ajoute le collègue de Medenbach, Cornelius Dirksen.
Les analogues bleu prussien, composés de fer non toxiques, doivent être utilisés comme matériau pour l’électrode positive. Utilisée pour la première fois comme pigment il y a environ 200 ans, cette substance se caractérise par une bonne disponibilité des matières premières, une compatibilité environnementale et des propriétés de stockage des ions sodium.
Les premières petites cellules démonstratrices sont actuellement en cours de construction et de test au centre d’essais de batterie Fraunhofer IKTS à Arnstadt, à Fraunhofer IKTS à Hermsdorf et à l’Université Friedrich Schiller d’Iéna. Des simulations réalistes et multiphysiques complètent le travail de laboratoire. Les résultats sont prometteurs: « Après 100 cycles de charge et de décharge, la cellule de laboratoire ne montre aucune dégradation significative. L’objectif est de démontrer 200 cycles de charge et de décharge pour la cellule pleine 1 Ah d’ici la fin du projet », explique Lukas Medenbach.
Une fois entièrement développée, la batterie pourrait être utilisée pour les applications de stockage stationnaires ou mobiles où la charge rapide n’est pas nécessaire. Les batteries à base de lignine à sodium sont adaptées aux applications mobiles avec des exigences de puissance plus faibles, y compris, par exemple, les microvoitures (limite de vitesse de 45 km/h) ou les véhicules logistiques d’entrepôt tels que les chariots élévateurs. Une fois le projet terminé, les partenaires du projet ont l’intention d’étendre davantage la technologie et de prendre la voie vers les prochains niveaux de maturité technologique avec l’aide d’un consortium encore plus grand.
* Projet soutenu par un conseil consultatif industriel composé principalement d’entreprises régionales, y compris les sociétés technologiques Mercer Rosenthal GmbH, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, IBU-tec Advanced Materials AG et EAS Batteries GmbH, ainsi que Petrochemical Holding GmbH basée à Vienne.
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