Une micropile qui carbure aux déchets agricoles et forestiers

En pleine négociation téléphonique avec un client important, votre cellulaire flanche. « Batterie à plat », indique un message sur l’écran, avant que ce dernier ne vire au noir de suie. Malheur ! Vous avez oublié de recharger votre téléphone.

Le professeur Mohamed Mohamedi veut nous affranchir de tels désagréments et des chargements à répétition. Dans son laboratoire d’électrochimie et de microsystèmes énergétiques, il consacre ses énergies au développement d’une micropile à combustible fonctionnant avec de l’éthanol généré à partir de déchets agricoles et forestiers. Capable de fonctionner en continu plus longtemps que la coûteuse batterie lithium-ion, cette pile verte pourrait la déloger de nos ordinateurs et autres téléphones portables d’ici une dizaine d’années.

Alors que le domaine de l’automobile mise sur l’hydrogène gazeux comprimé comme combustible pour les piles des véhicules des prochaines générations, l’industrie de l’électronique pourrait se tourner vers l’éthanol ou le méthanol. Actuellement, Mohamed Mohamedi, professeur au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS, privilégie l’usage de l’éthanol, une molécule d’alcool riche en hydrogène, pour alimenter nos appareils électroniques portatifs.

[ Codépôts de Pt-SnO2 sur un substrat de nanotubes de carbone ]

« Notre micropile nécessite un combustible facilement utilisable et transportable. Or, à température ambiante, l’hydrogène est gazeux. Tout le monde comprendra qu’il serait difficile d’insérer une bonbonne d’hydrogène comprimé dans un téléphone cellulaire! Un combustible liquide à température ambiante comme l’éthanol est plus approprié », avance Mohamed Mohamedi. Il a de la chance : le Canada est une nation de fermiers. Chaque année, des millions de tonnes de déchets de la culture de maïs et de la foresterie pourraient servir à produire du bioéthanol sans entamer l’approvisionnement alimentaire du pays.

Ce carburant obtenu à partir de la biomasse limiterait l’utilisation de nos ressources fossiles et réduirait les émissions de dioxyde de carbone inhérentes à la production d’hydrogène. « Si notre technologie décolle, le développement économique de l’industrie canadienne autour de ce bioéthanol suivra forcément », croit le professeur Mohamedi. L’autonomie électrique de nos ordinateurs, de nos tablettes et de nos téléphones passerait donc par une bonne rasade d’alcool aux vertus environnementales et économiques.

L’éthanol a aussi l’avantage de ne pas être toxique et d’être plus sécuritaire que le méthanol, un autre alcool évalué par Mohamed Mohamedi. Sa densité énergétique, plus élevée que celle du lithium ou même du méthanol, permet de fournir une puissance plus grande à l’électronique portable, souvent gourmande en énergie.

Vers une oxydation totale

Imaginez demain : votre téléphone portable fonctionnera en continu grâce à cette micropile à l’éthanol. Pour arriver à cette prouesse, l’utilisateur n’aura qu’à l’alimenter en y connectant des cartouches d’éthanol. Un côté inépuisable que n’ont pas les batteries lithium-ion. Une fois leur taux maximal de recharge atteint, il faut les remplacer. « Contrairement aux batteries lithium-ion qui sont des systèmes de stockage d’énergie, la micropile à l’éthanol est un système de conversion d’énergie. La transformation d’énergie chimique en énergie électrique exploitable perdure en continu tant que le combustible (éthanol) et l’oxydant (oxygène) sont présents dans la pile et qu’ils réagissent au niveau de deux électrodes. Cette réaction d’oxydation-réduction transforme l’éthanol et l’oxygène en dioxyde de carbone et en eau, tout en générant un flux d’électrons responsable du courant électrique », explique le professeur Mohamedi.

Aujourd’hui, il n’est pas encore possible d’oxyder totalement l’éthanol même si la réaction chimique est traditionnellement catalysée par du platine, un métal noble, rare et non renouvelable. Véritable accélérateur de la vitesse de la réaction, ce coûteux catalyseur a un défaut. Utilisé seul, le platine (Pt) a tendance à être empoisonné, notamment par le monoxyde de carbone ou l’acide acétique, des produits intermédiaires formés lors de la dégradation incomplète de l’éthanol. Ainsi « asphyxié », le Pt ne remplit plus sa fonction de catalyseur. Résultat : la vitesse de réaction chute inexorablement, la puissance délivrée par la pile aussi.

L’équipe du professeur Mohamedi développe actuellement des catalyseurs moins chers ­en utilisant de plus petites quantités de platine et en le combinant avec d’autres métaux. « Nous nous concentrons sur le développement de catalyseurs trimétalliques ou à base d’oxyde d’étain (Sn) ou de cérium (Ce), par exemple, capables de briser les trois types de liaisons de la molécule d’éthanol : carbone-oxygène, carbone-hydrogène et carbone-carbone. Chacune des trois composantes des catalyseurs (Pt, Pt-SnO2, Pt-CeO2) a ses affinités avec un type de liaison et favorise sa rupture. Combinés, ils pourront oxyder l’éthanol à 100 % et assurer une puissance délivrée stable dans le temps », précise Mohamed Mohamedi.

Si la catalyse pose peu de difficulté à haute température, c’est loin d’être une mince affaire à température ambiante. « Aujourd’hui, deux catalyseurs ont déjà été sélectionnés pour faire partie du trio. Et, dans trois à cinq ans, on espère sortir ce catalyseur trimétallique ou à base d’oxyde. D’ici là, beaucoup d’essais restent à faire pour déterminer les proportions optimales de chacune des trois composantes du catalyseur. »

Une question de morphologie

Pour le professeur Mohamedi, la nanostructuration apparaît comme une voie d’avenir afin d’améliorer les performances électrochimiques de la pile et de réduire au minimum les quantités de platine employées. Son projet a d’ailleurs été financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Fonds québécois de recherche – Nature et technologies et le Centre québécois sur les matériaux fonctionnels. En pratique, de petites particules de métal sont déposées sur les électrodes par ablation laser, une technique de pointe qui permet de contrôler la composition, la taille et la structure des nanoparticules formant l’alliage souhaité pour le catalyseur.

Étonnamment, l’une des structures obtenues s’est révélée en forme de têtes de chou-fleur, à savoir des inflorescences dues à la formation de colonnes de particules de platine lors de l’étape de la nanostructuration. Et si l’anatomie nanométrique impressionne, ce n’est pas simplement par sa beauté. « Cette morphologie très poreuse permet d’améliorer la performance électrochimique de la pile, car la surface de contact entre l’éthanol et le catalyseur est alors très élevée », précise Mohamed Mohamedi, pour qui cette curiosité morphologique a permis de faire avancer son projet.

Selon le chercheur, « il faudra d’abord prouver aux industriels que ces piles vertes fournissent une énergie stable et de longue durée avant qu’elles soient acceptées comme alternatives aux batteries lithium-ion. Il faudra aussi démontrer qualitativement que l’oxydation est totale et qu’aucun produit intermédiaire susceptible d’empoisonner le catalyseur n’est formé. » Un défi qui ne fait pas peur au professeur Mohamedi, un chercheur aguerri dans le domaine de la structure des électrodes et des micropiles à combustible. ?

[ En photo ] Le professeur Mohamed Mohamedi montre un dépôt de nanotubes de carbone sur un substrat de papier carbone