Améliorer les batteries lithium‑ion : la nouvelle technologie au graphène affiche une conductivité thermique 10 fois supérieure aux solutions actuelles

Graphène & Batteries

La technologie des batteries évolue rapidement, avec des dizaines de chimies alternatives concurrentes qui remettent en cause la domination des batteries lithium‑ion, dont la découverte a été récompensée par un Prix Nobel de Chimie en 2019.

Une de ces alternatives est les batteries utilisant du graphène.

Cela parce que le graphène est un « matériau miracle », constitué d’une seule couche d’atomes de carbone. Cela lui confère des propriétés électriques extraordinaires. Nous avons expliqué davantage le graphène, ainsi que d’autres « matériaux 2D » comme le borophène et le goldène dans « Matériaux 2D, comme le graphène, ouvrent de nouvelles frontières en sciences des matériaux ».

Les propriétés électriques ne sont pas les seules caractéristiques qui rendent le graphène exceptionnel. Il est également remarquable pour sa conductivité thermique, qui lui permet de transférer la chaleur extrêmement rapidement.

Source: GMG

Cette propriété thermique pourrait s’avérer transformative pour la technologie des batteries et, paradoxalement, le graphène pourrait aider à maintenir les batteries lithium‑ion comme technologie dominante face aux chimies alternatives, y compris les batteries à base de graphène.

Cela pourrait se produire grâce à une découverte réalisée par des chercheurs de l’Université de Swansea (Royaume‑Uni), en collaboration avec l’Université de Technologie de Wuhan et l’Université de Shenzhen (Chine). Ils ont présenté leurs résultats dans un article scientifique publié dans *Nature Chemical Engineering* sous le titre « Collecteurs de courant à grande échelle pour réguler le transfert de chaleur et améliorer la sécurité des batteries ».

Limites du Graphène

Sur le papier, le graphène est un matériau miracle qui devrait révolutionner de nombreuses industries, de la fabrication de batteries à tout ce qui utilise l’électricité, y compris les ordinateurs et les panneaux solaires, et même le béton et les nanorobots dans notre circulation sanguine.

En pratique, le graphène souffre de quelques limites :

• Production à échelle : du ruban adhésif appliqué à un morceau de graphite a suffi à découvrir le graphène. Mais des méthodes beaucoup plus complexes comme le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sont nécessaires pour la production de masse.
• Coûts : la plupart des méthodes de production et les applications aux dispositifs existants restent à petite échelle ou sur mesure, et les matériaux 2D restent assez chers. Le prix réel peut varier fortement selon la pureté, avec par exemple le graphène oscillant entre 20 $ et 2 000 $/kg.

Bien sûr, ces deux problèmes sont liés, car la petite échelle de production augmente les coûts. Jusqu’à présent, cela a fortement freiné l’adoption massive du graphène, laissant la plupart des promesses de ce matériau non réalisées, malgré sa découverte il y a 20 ans en 2004.

La capacité à produire du matériau à base de graphène en grands volumes est essentielle à la fois pour réduire les coûts et permettre des applications à l’échelle industrielle.

Il s’agit d’un problème purement de fabrication et de technologie, le graphène étant composé de carbone, un matériau abondant et bon marché. Il ne souffre donc pas du problème des matériaux rares comme, par exemple, les catalyseurs de production d’hydrogène utilisant des métaux rares tels que le platine ou le palladium.

En tant que tel, le graphène a le potentiel de véritablement révolutionner nos systèmes énergétiques, sans rencontrer de limites liées à l’épuisement des ressources lorsqu’il est déployé à grande échelle.

Fabriquer des Kilomètres de Graphène

Ce problème de production à grande échelle est ce que les chercheurs de l’article sus‑mentionné prétendent avoir partiellement résolu.

La publication des chercheurs « détaille le premier protocole réussi pour fabriquer des feuilles de graphène sans défauts à l’échelle commerciale ».

La méthode expliquée dans l’article scientifique peut être utilisée pour créer des feuilles de graphène de longueurs allant de mètres à kilomètres.

Même dans un laboratoire non conçu pour la production de masse, ils ont réussi à créer une feuille de graphène de 200 m de long avec une épaisseur de 17 µm.

Cette feuille est également remarquablement résistante et a démontré qu’elle conservait une haute conductivité électrique même après avoir été pliée plus de 100 000 fois.

Il peut donc être raisonnablement supposé qu’il sera possible de l’utiliser dans l’électronique flexible, la fabrication industrielle et d’autres applications où le graphène sert à transporter de forts courants.

Que Peuvent Faire les Feuilles de Graphène ?

Les batteries lithium‑ion sont vulnérables à un risque majeur, appelé « runaway thermique ». Cela se produit lorsqu’une chaleur excessive s’accumule dans une partie de la batterie, entraînant souvent une défaillance avec des incendies ou des explosions dangereuses.

Ce problème est l’une des raisons principales pour lesquelles de nombreux chercheurs et entreprises de batteries cherchent des alternatives au lithium‑ion avec des chimies comme le sodium‑ion. De nombreuses solutions alternatives sont explorées, par exemple les électrolytes à base de gel.

Le runaway thermique se produit principalement aux collecteurs de courant de la batterie, où la puissance est la plus concentrée. Dans les batteries lithium‑ion actuelles, les collecteurs de courant sont généralement en aluminium ou en cuivre.

Les collecteurs de courant en graphène développés par la recherche avec leur feuille de graphène peuvent afficher une conductivité thermique aussi élevée que 1 400,8 W m⁻¹ K⁻¹. À titre de comparaison, c’est presque 10 fois plus élevé que les collecteurs en cuivre ou en aluminium.

Source: Nature Chemical Engineering

 Implication pour les Batteries Lithium‑Ion

Parce que la feuille de graphène montre une dissipation de chaleur très rapide, elle élimine le risque de concentration locale de chaleur lorsque le courant circule.

En retour, cela supprime les risques de réactions aluminothermiques et d’évolution d’hydrogène, qui sont les étapes critiques menant à la propagation de la défaillance de la batterie et au danger d’incendie.

« Notre structure de graphène dense et alignée fournit une barrière robuste contre la formation de gaz inflammables et empêche l’oxygène de pénétrer les cellules de la batterie, ce qui est crucial pour éviter des défaillances catastrophiques »,
Dr Jinlong Yang, co‑lead author

Peut‑être plus important encore, la méthode est déjà prouvée comme déployable avec la production de masse de la feuille de graphène. Elle pourrait donc être rapidement intégrée aux processus de fabrication de batteries existants.

« Il s’agit d’une avancée significative pour la technologie des batteries. Notre méthode permet la production de collecteurs de courant en graphène à une échelle et une qualité qui peuvent être facilement intégrées à la fabrication commerciale de batteries. Cela améliore non seulement la sécurité des batteries en gérant efficacement la chaleur, mais augmente également la densité énergétique et la longévité. »,
Dr Rui Tan, co‑lead author

Applications Futures des Feuilles de Graphène

Les chercheurs cherchent déjà à réduire l’épaisseur des feuilles de graphène et à améliorer davantage leurs propriétés mécaniques.

Ils étudient également comment la feuille de graphène pourrait aider à concevoir de meilleures batteries à flux et des batteries sodium‑ion, en collaboration avec une autre équipe de recherche à l’Université de Swansea, sous la direction du Pr. Serena Margodonna.

Nous avons précédemment évoqué les batteries lithium‑ion à nid d’abeille qui éliminent le risque de défaillance dû à la croissance de dendrites. Si le runaway thermique peut également être supprimé grâce à la feuille de graphène, cela pourrait rendre les batteries lithium‑ion beaucoup plus sûres et durables que la version actuelle.

Source: Chemistry Europe

Cela suit globalement le schéma de la plupart des innovations dans un créneau de la technologie des batteries, qui deviennent utilisables dans d’autres conceptions, contribuant ainsi à la progression rapide de l’industrie.

(Vous pouvez également en apprendre davantage sur la technologie des batteries dans nos articles « The Future of Mobility – Battery Tech » et « The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech ».)

Investir dans la Technologie des Batteries

Les batteries lithium‑ion ont déjà changé le monde à plusieurs reprises, en permettant aux gens de transporter des appareils électroniques avancés partout et en alimentant les voitures uniquement à l’électricité.

Il se peut qu’elles le fassent à nouveau, ou que d’autres types de batteries le fassent, en permettant un réseau électrique 100 % renouvelable ou en électrifiant les avions lorsqu’une densité énergétique suffisante sera atteinte.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux batteries via de nombreux courtiers, et vous trouverez ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF sur les batteries comme Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), le Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X, ou le WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, qui offriront une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur la croissance du secteur des batteries.

Ou vous pouvez consulter nos articles « Top 10 des actions de batteries à investir » et « Top 10 des métaux de batteries & actions minières d’énergie renouvelable ».

Entreprises de Batteries

1. Veeco

Veeco est un fournisseur majeur d’équipements pour l’industrie de la fabrication de semi‑conducteurs depuis sa création en 1945. Ses machines sont utilisées pour produire des puces EUV avancées, des antennes 5G, des disques durs, des LIDAR, des LED, des électroniques de puissance pour les véhicules électriques, etc.

Source: Veeco

Le principal focus technologique de l’entreprise est le même procédé CVD utilisé pour la production de borophène et de certains graphènes, ou plus précisément le MOCVD (déposition chimique en phase vapeur organométallique).

Source: Veeco

En tant que leader dans ce segment de niche de l’industrie des semi‑conducteurs, Veeco pourrait être un bon candidat pour miser sur la montée des applications CVD.

Cette croissance pourrait découler de l’utilisation croissante du graphène, du tungstène et du borophène, à mesure que nous progressons dans la manipulation de la matière au niveau atomique. Cela inclut les films minces de graphène, mais aussi les semi‑conducteurs de graphène potentiels, les supraconducteurs, etc.

Cela bénéficiera également probablement des tendances massives de numérisation, d’IA et d’électrification, qu’elles utilisent massivement les matériaux 2D ou non.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG est un producteur de graphène qui a concentré son offre de produits sur des produits déjà démontrés à base de graphène comme les revêtements thermiques et les lubrifiants.

Cela fait de GMG une bonne option pour les investisseurs cherchant une exposition directe au marché du graphène et une entreprise déjà active dans la production de masse de graphène et l’amélioration du procédé de production actuel.

Source: GMG

Quelques applications supplémentaires pourraient être la création de semi‑conducteurs en graphène (voir « Graphene Semiconductors – Are They Finally Here? »), ou même des supraconducteurs à température ambiante. Le revêtement en graphène pourrait également trouver une utilisation dans les batteries et pour les technologies de réservoirs à pression d’hydrogène.

Source: GMG

GMG produit son graphène à partir de méthane + hydrogène, ce qui diffère de la plupart de ses concurrents, qui le produisent à partir de dépôts naturels de graphite. Cela permet une pureté plus élevée, une meilleure évolutivité et une production à bas coût.

L’entreprise a lancé sa première installation de production en Australie en 2023, avec une capacité allant jusqu’à 1 million de litres de production de revêtements d’échangeurs de chaleur par an.

L’étape suivante pour l’entreprise sera sa technologie de batterie basée sur l’ion aluminium‑graphène, avec une densité de 290 Wh/kg, une charge 60 fois plus rapide que les batteries lithium‑ion, une durée de vie 3 fois plus longue et un profil de risque d’incendie amélioré.

Source: GMG

Cette entrée sur le marché des batteries pourrait représenter un pari important pour GMG, mais elle lui offre également une perspective unique sur le futur marché qui pourrait s’ouvrir au graphène, y compris dans les véhicules électriques et d’autres applications liées à l’énergie.