Le chanvre pour de futures batteries à supercondensateurs

Tout au long de l’histoire, le chanvre a trouvé de nombreuses applications à bord des bateaux, pour la fabrication de voiles et de cordages, de filets de pêche, de drapeaux, de cartes marines et de journaux de bord, ou encore de vêtements et de chaussures de marins. Aujourd’hui encore, la navigation de plaisance fait un usage intensif du chanvre dans le sillage d’une approche de plus en plus verte et durable, pour la production de coques, de matelas et d’aménagements intérieurs. Le chanvre est également utilisée pour la nourriture, le carburant, les médicaments, les matériaux de construction et les plastiques.

La prochaine application du chanvre pourrait être liée à l’énergie embarquée et pas seulement à bord des bateaux mais aussi des camions, drones, motos et… automobiles. Le chanvre pourrait donc devenir un élément clé des batteries des véhicules électriques !

Je vous avais parlé de cette découverte extraordinaire de ce matériau qu’est le graphène.

Plus solide que le diamant, plus conducteur que le cuivre et plus flexible que le caoutchouc, ce matériau a fait l’objet d’investissements importants. Cette monocouche de carbone qui est le matériau de pointe pour les supercondensateurs commerciaux a cependant un coût de production qui est prohibitif. Et c’est la que le chanvre s’avère très intéressant.

À partir de l’écorce de chanvre, il est possible de produire des batteries pour le stockage de l’énergie qui sont meilleures que le lithium et le graphène, mais avec un coût de production mille fois inférieur à ces derniers.

Tout a commencé en 2014 lorsque l’ingénieur David Mitlin, de l’Université de l’Alberta, a mené des recherches sur la création d’un nanomatériau issu des déchets de traitement industriel de la plante de chanvre, qui s’est avéré avoir des propriétés similaires à celles du graphène, mais avec un coût de production infiniment plus faible.

« Nous fabriquons des matériaux de type graphène pour un millième du prix – et nous le faisons avec des déchets. Le chanvre que nous utilisons ((Canabis sativa L.) est parfaitement légal pour la culture. Il ne contient pas du tout de THC – il n’y a donc aucun chevauchement avec des activités récréatives... Il s’agit d’une fibre composée de couches de lignine, d’hémicellulose et de cellulose cristalline qui, traitée de la bonne manière, permet de séparer des nanomatériaux de type graphène »  David Mitlin

Selon Mitlin, on peut faire des choses très intéressantes avec les déchets organiques, les peaux de banane, par exemple, peuvent être transformées en un morceau de carbone dense, que nous appelons pseudo-graphite, qui est excellent pour les batteries sodium-ion.

Cependant, la fibre de chanvre a une structure différente : elle produit des feuilles avec une surface élevée et cette caractéristique est excellente pour les supercondensateurs.

« C’est un déchet à la recherche d’une application à valeur ajoutée. Les gens vous paient presque pour l’emporter ! »
Et si la technologie décolle vraiment, cela pourrait aider les économies. C’est une plante robuste – vous pouvez même la cultiver en Alberta, au Manitoba. Beaucoup d’agriculteurs seraient ravis de cultiver du chanvre » David Mitlin

Le processus est déclenché en chauffant la fibre à 180° C pendant 24 heures, puis en la transformant en panneaux de nanomatériaux poreux qui peuvent être utilisés pour les supercondensateurs, ces dispositifs modernes de stockage de l’énergie qui sont bien supérieurs aux dispositifs classiques.

Depuis 2018, la société Alternet qui produit des motos électriques utilise les concepts développés par David Mitlin et équipe ses modèles de batteries dérivées du chanvre avec d’excellents résultats. Mais les applications possibles de ces accumulateurs de haute technologie et respectueux de l’environnement pourraient également se situer dans le domaine nautique, où, depuis quelques années, les concepteurs et les chantiers navals expérimentent des batteries hautes performances à bord des bateaux et des yachts comme alternative aux accumulateurs au plomb traditionnels.

Du chanvre pour des batteries spéciales nommées supercondensateurs

Les scientifiques ont utilisé les fibres acquises à partir du chanvre industriel pour créer de fines feuilles de substrats qui composent l’intérieur d’un type spécial de batterie connu sous le nom de supercondensateur.

Les batteries conventionnelles stockent de grands réservoirs d’énergie et l’alimentent lentement au goutte-à-goutte, tandis que les supercondensateurs peuvent rapidement décharger toute leur charge. La densité d’énergie des supercondensateurs peut être un millier de fois plus important que sur des condensateurs classiques. Ils sont idéaux pour les machines qui dépendent de fortes poussées de puissance. Dans les voitures électriques, par exemple, les supercondensateurs sont utilisés pour le freinage régénératif.

L’un des avantages de ce nouveau type de batterie au chanvre, est qu’elles peuvent se recharger en moins d’une minute, et ce plus de dix mille fois. De plus, elles ne perdent pas en capacité avec le temps.

« De toute évidence, le chanvre ne peut pas faire tout ce que le graphène peut faire mais pour le stockage de l’énergie, cela fonctionne tout aussi bien. Et cela coûte une fraction du prix – 500 à 1 000 dollars la tonne » Dr Mitlin.

Des batteries au lithium-soufre (LiS) « B4C-chanvre »

Bemp Research Corp., une start-up basée au Texas, a développé une alternative aux batteries lithium-ion (Li-ion) avec une technologie de batterie au lithium-soufre (LiS) « B4C-chanvre » (abréviation de « Boron Carbide made from hemp »).

Avantages de ces batteries en chanvre par rapport aux batteries lithium-ion (D’après B.R.C)

LiS/B4C-chanvre est supérieur aux batteries Li-ion en termes de densité d’énergie gravimétrique, de sécurité et, surtout, de coûts et de respect de l’environnement. Notre chimie utilise des matériaux légers et abondants tels que le soufre, le bore et le chanvre carbonisé – au lieu de métaux lourds tels que le nickel et le cobalt.

« Le soufre est très abondant. Le bore est également relativement abondant, la plus grande mine de bore étant en Californie. Nous avons également un partenariat stratégique avec Delta Agriculture, le plus grand producteur de chanvre aux États-Unis. Delta Agriculture souligne que le chanvre est une culture légale qui nécessite peu d’eau, pas de pesticides et qui retient mieux le carbone que les arbres. » Nguyen (Société Bemp Research Corp)

« Puisqu’il n’y a pas de cobalt ou de nickel et que le lithium est le seul métal précieux de notre chimie, le recyclage peut se faire beaucoup plus facilement par rapport au Li-ion. Nous avons juste besoin de récupérer le lithium, et c’est tout. »

La société affirme que les applications commerciales de LiS/B4C-chanvre permettraient de surmonter les défis des batteries Li-ion en termes de coût, de poids, d’évolutivité, de performances et de recyclabilité.

Les batteries LiS/B4C-chanvre seront idéales pour les poids lourds et les avions électriques.

Le chanvre a été choisi comme l’un des matériaux de base en raison de sa durabilité, de sa porosité et de ses faibles coûts. Les batteries LiS ont des problèmes tels que la cathode se contractant/se dilatant pendant la charge/décharge, et les polysulfures de la cathode faisant la navette vers l’anode et nuisant aux performances des batteries. Les chercheurs pourraient résoudre ces problèmes en utilisant des matériaux coûteux tels que le graphène, mais le graphène est impossible à produire en masse. Le chanvre est une meilleure solution à moindre coût. La durabilité du chanvre peut aider la cathode à résister à des centaines de cycles de contraction et d’expansion. La structure poreuse du chanvre peut aider à « piéger » les polysulfures de la navette vers l’anode.

Le LiS/B4C-chanvre est plus sûr que le Li-ion car si la batterie est endommagée, percée, pliée ou écrasée, le soufre réagira immédiatement avec le lithium pour former une couche passive, de sorte qu’elle ne brûlera pas. De plus, il n’y a pas d’oxyde métallique dans notre chimie, il n’y a donc aucun risque d’emballement thermique comme dans les chimies Li-ion.

Nos batteries LiS/B4C-chanvre fonctionnent à différents taux de charge/décharge. Elles peuvent être complètement chargés en 20 minutes et auront toujours le double de la densité d’énergie gravimétrique des meilleures batteries Li-ion. À des taux de charge plus lents, la densité d’énergie gravimétrique peut être encore plus élevée. Cela signifie doubler ou tripler l’autonomie par charge pour les véhicules électriques. Nous estimons que nos batteries seront bonnes pour 100 000 miles en charge rapide, plus longtemps pour une charge lente, avant d’être recyclées.

Source : https://www.energytech.com/energy-storage/article/21177341/will-hemp-make-ev-batteries-better

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A lire : « Le chanvre, du rêve aux mille utilités », « Mémoires du chanvre français » Alexis Chanebau