La batterie nikel-fer centenaire d’Edison suscite un vif intérêt

Des scientifiques de l’Université de Stanford ont insufflé une nouvelle vie à la batterie nickel-fer, une technologie rechargeable développée par Thomas Edison, il y a maintenant plus d’un siècle.

Conçue dans les années 1900 pour alimenter des véhicules électriques, la batterie de Thomas Edison a pratiquement disparu à partir des années 1970. Aujourd’hui seulement, une poignée de sociétés fabriquent encore ce type de batterie, principalement dans le but de stocker le surplus d’électricité provenant des panneaux solaires et des éoliennes.

"La batterie Edison est très robuste, mais elle possède un certain nombre d’inconvénients", a déclaré Dai Hongjie, professeur de chimie à l’Université de Stanford. "Une batterie typique peut prendre des heures à se charger, alors que le taux de décharge demeure très lent."

Aussi, le Pr. Dai et ses collègues de Stanford ont-ils considérablement amélioré les performances de cette technologie centenaire. Ils ont en effet créé une batterie nickel-fer ultra-rapide en mesure d’être complètement rechargée en 2 minutes et déchargée en moins de 30 secondes. Les résultats ont été publiés dans la revue ‘the journal Nature Communications‘ en date du 26 Juin 2012.

"Nous avons augmenté le taux de chargement et de déchargement de près de 1.000 fois (…) Nous avons fait très vite", a déclaré Hailiang Wang, étudiant diplômé de Stanford et principal auteur de l’étude.

Des batteries hautes performances et à faibles coûts pourraient donc voir le jour et être utilisées par les véhicules électriques, tout comme Edison l’avait initialement prévu, a précisé le Pr Dai. "J’espère que nous pourrons donner à la batterie nickel-fer une nouvelle vie," a t-il ajouté.

Edison, l’un des tous premiers défenseurs des véhicules électriques a commencé à commercialiser une batterie nickel-fer courant 1900. Il a utilisé son système dans les voitures électriques jusque dans les années 1920. La longue durée de vie ainsi que la fiabilité de cette batterie en font une source de stockage d’énergie très répandue dans les chemins de fer, les mines et autres industries jusqu’au milieu du 20e siècle.

Edison a conçu la batterie nickel-fer comme une alternative peu coûteuse aux batteries plomb-acide, connues pour leurs propriétés corrosives. Sa conception initiale se compose de deux électrodes – une cathode en nickel et une anode en fer – baignées dans une solution alcaline. "Il est important de noter, que le nickel et le fer sont des éléments abondants sur terre et relativement non toxiques", a expliqué le Pr. Dai.

Le carbone a longtemps été utilisé pour améliorer la conductivité électrique des électrodes. Pour améliorer les performances de la batterie d’Edison, l’équipe de Stanford a utilisé le graphène – des feuilles de carbone de taille nanométrique d’un seul atome d’épaisseur – et des nanotubes de carbone multi-parois, constitués chacun d’environ 10 feuilles de graphène concentriques enroulées ensemble.

"Dans les électrodes conventionnelles, on mélange les matériaux de fer et de nickel avec du carbone conducteur," a dit H. Wang. "Au lieu de cela, nous avons fait croître des nanocristaux d’oxyde de fer sur le graphène, et des nanocristaux d’hydroxyde de nickel sur des nanotubes de carbone."

Cette technique produit une liaison chimique forte entre les particules métalliques et les nanomatériaux de carbone, qui a eu un effet spectaculaire sur les performances. "Le couplage des particules de nickel et de fer sur le substrat de carbone permet à la charge électrique de se déplacer rapidement entre les électrodes et le circuit extérieur," a ajouté le Pr. Dai. "Le résultat est une version ultra-rapide de la batterie nickel-fer qui est capable de se charger et de se décharger en quelques secondes."

Les applications futures

Le prototype de batterie ‘1 volt’ développé en laboratoire possédait juste assez d’énergie pour faire fonctionner une lampe de poche. L’objectif des chercheurs est de réaliser une batterie plus performante capable d’être utilisée par le réseau électrique ou par le secteur du transport.

La plupart des véhicules électriques, tels que la Nissan Leaf et la Chevrolet Volt, fonctionnent avec des batteries au lithium-ion, capables de stocker beaucoup d’énergie, mais réclamant de nombreuses heures pour se charger. "Notre batterie ne sera probablement pas en mesure d’alimenter une voiture électrique, parce que la densité d’énergie n’est pas idéale (…) Mais elle pourrait aider les batteries au lithium-ion en leur fournissant un réel coup de pouce dans les phases d’accélération et de récupération d’énergie au freinage" a précisé encore H. Wang.

La batterie améliorée d’Edison pourrait s’avérer particulièrement utile dans les situations d’urgence.

"Le nickel, le fer et le carbone sont relativement peu coûteux. L’électrolyte se réalise juste avec de l’eau et de l’hydroxyde de potassium, des éléments bon marché et non dangereux. Ils n’exploseront pas dans une voiture" a t-il assuré.

Le prototype de batterie a toutefois un inconvénient clé – sa capacité à tenir la charge au fil du temps. "Il n’a pas la stabilité du cycle charge-décharge d’un vélo classique" a indiqué le Pr. Dai. "En ce moment notre batterie se dégrade d’environ 20%, au dela de 800 cycles. C’est à peu près le même chiffre que celui d’une batterie au lithium-ion."

"L’utilisation des nanomatériaux fortement couplés représente une approche très excitante dans la création des électrodes," a t-il dit. "C’est différent des méthodes traditionnelles, où il suffit de mélanger les matériaux ensemble. Je pense que Thomas Edison serait heureux de voir ces progrès."