chercheurs-batterie-mit-co2

Cette image venant d’un microscope électronique à balayage montre la cathode de carbone d’une batterie à base de dioxyde de carbone fabriquée par les chercheurs du MIT, après la décharge de la batterie. Elle montre l’accumulation de composés carbonés à la surface – des composés de carbonate pouvant provenir des émissions des centrales électriques – par rapport à la surface d’origine (en médaillon).

Un nouveau type de batterie développé par des chercheurs du MIT pourrait être constituée en partie de dioxyde de carbone capturé à partir de centrales électriques. Plutôt que d’essayer de convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques spécialisés à l’aide de catalyseurs métalliques, ce qui est actuellement très difficile, cette batterie pourrait convertir en continu le dioxyde de carbone en carbonate lors de sa décharge.

Une batterie pouvant convertir le CO2 en carbonate

Bien que basée sur une recherche initiale et loin du déploiement commercial, cette nouvelle forme de batterie pourrait ouvrir de nouvelles voies pour adapter les réactions de conversion du dioxyde de carbone électrochimique, ce qui pourrait contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Cette batterie est constituée de lithium métallique, de carbone et d’un électrolyte conçu par les chercheurs. Les résultats sont décrits aujourd’hui dans la revue Joule, dans un document rédigé par le professeur adjoint de génie mécanique Betar Gallant, le doctorant Aliza Khurram et le postdoctorant Mingfu He.

Actuellement, les centrales équipées de systèmes de captage du carbone utilisent généralement jusqu’à 30% de l’électricité qu’elles génèrent uniquement pour alimenter la capture, la libération et le stockage du dioxyde de carbone. Tout ce qui peut réduire le coût de ce processus de capture, ou qui peut aboutir à un produit final ayant une valeur, pourrait modifier de manière significative l’économie de ces systèmes, selon les chercheurs.

Cependant, «le dioxyde de carbone n’est pas très réactif», explique Gallant, alors «essayer de trouver de nouvelles voies de réaction est important». En général, le seul moyen d’obtenir une activité significative de hautes tensions, est un processus coûteux et inefficace. Idéalement, le gaz subirait des réactions qui produiraient quelque chose de valable, comme un produit chimique utile ou un combustible. Cependant, les efforts de conversion électrochimique, généralement effectués dans l’eau, restent limités par des apports énergétiques peu élevés et une faible sélectivité des produits chimiques produits.

Utiliser le CO2 comme électrolytes

Gallant et ses collègues, dont l’expertise est liée à des réactions électrochimiques non aqueuses, telles que celles qui sous-tendent les batteries au lithium, se sont demandé si la chimie de capture du dioxyde de carbone pouvait être utilisée comme électrolytes chargés de dioxyde – l’une des trois parties essentielles d’une batterie – où le gaz capturé pourrait alors être utilisé pendant la décharge de la batterie pour fournir une puissance de sortie.

Cette approche est différente de la libération du dioxyde de carbone dans sa phase gazeuse pour un stockage à long terme, comme c’est maintenant le cas pour la capture et la séquestration du carbone, ou CCS. Ce domaine examine généralement les moyens de capturer le dioxyde de carbone d’une centrale par un processus d’absorption chimique, puis de le stocker dans des formations souterraines ou de le transformer chimiquement en un combustible ou en une matière première chimique.

Au lieu de cela, l’équipe a mis au point une nouvelle approche qui pourrait potentiellement être utilisée directement dans le flux de déchets des centrales électriques pour fabriquer des matériaux destinés à l’un des principaux composants d’une batterie.

Alors que le développement de batteries lithium-dioxyde de carbone, qui utilisent le gaz comme réactif pendant la décharge, suscite un intérêt croissant, la faible réactivité du dioxyde de carbone nécessite généralement l’utilisation de catalyseurs métalliques. Non seulement ils sont coûteux, mais leur fonction reste mal comprise et les réactions sont difficiles à contrôler.

Pré-activer le dioxyde de carbone

En incorporant le gaz à l’état liquide, Gallant et ses collègues ont trouvé un moyen de réaliser la conversion électrochimique du dioxyde de carbone en utilisant uniquement une électrode en carbone. La clé est de pré-activer le dioxyde de carbone en l’incorporant dans une solution d’amine.

« Ce que nous avons démontré pour la première fois, c’est que cette technique active le dioxyde de carbone pour une électrochimie plus facile », explique Gallant. «Ces deux produits chimiques – les amines aqueuses et les électrolytes de batterie non aqueux – ne sont généralement pas utilisés ensemble, mais leur combinaison confère de nouveaux comportements et intéressants, qui peuvent augmenter la tension de la décharge et permettre une conversion durable du dioxyde de carbone.

Grâce à une série d’expériences, ils ont démontré que cette approche fonctionnait et qu’ils pouvaient produire une batterie au lithium-dioxyde de carbone avec une tension et une capacité énergétique comparable à celles des batteries lithium-gaz les plus modernes. De plus, l’amine agit comme un promoteur moléculaire qui n’est pas consommé durant la réaction.

La clé était de développer le bon système d’électrolyte, explique Khurram. Dans cette étude initiale de validation de principe, ils ont décidé d’utiliser un électrolyte non aqueux car cela limitait les voies de réaction disponibles et facilitait donc la caractérisation de la réaction et de sa viabilité. Le matériau aminé qu’ils ont choisi est actuellement utilisé pour les applications CCS, mais il n’avait pas encore été appliqué aux batteries.

Cette batterie doit être optimisée

Ce système n’a pas encore été optimisé et nécessitera un développement supplémentaire, selon les chercheurs. D’une part, la durée de vie de la batterie est limitée à 10 cycles de charge-décharge. Des recherches supplémentaires sont donc nécessaires pour améliorer la recharge et empêcher la dégradation des composants de la cellule. «Les piles au lithium-dioxyde de carbone seront dans les années à venir» un produit viable, affirme Gallant, car cette recherche ne couvre pour l’instant qu’une des nombreuses avancées nécessaires pour les rendre utilisables.

Mais le concept offre un grand potentiel, selon Gallant. La capture du carbone est largement considérée comme essentielle pour atteindre les objectifs mondiaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre, mais il n’existe pas encore de méthodes éprouvées permettant d’éliminer ou d’utiliser tout le dioxyde de carbone résultant de l’activité humaine. Le stockage géologique souterrain est toujours le principal concurrent, mais cette approche n’a pas encore été validée et peut être limitée par la capacité de transformation. Il nécessite également une énergie supplémentaire pour le forage et le pompage.

Une version à flux constant 

Les chercheurs étudient également la possibilité de développer une version à opération continue de ce procédé, qui utiliserait un flux constant de dioxyde de carbone sous pression avec le matériau aminé, plutôt qu’un approvisionnement pré-chargé du matériau, lui permettant ainsi de fournir une puissance constante tant que la batterie est alimentée en dioxyde de carbone.

Au final, ils espèrent en faire un système intégré qui permettra à la fois de capter le dioxyde de carbone des flux d’émissions d’une centrale et de le convertir en un matériau électrochimique qui pourrait ensuite être utilisé dans ces batteries. «C’est une façon de le séquestrer pour en faire un produit utile», explique Gallant.

Une judicieuse combinaison de deux domaines différents

Gallant et ses collègues ont judicieusement combiné les connaissances acquises dans deux domaines différents, à savoir l’électrochimie des batteries métal-gaz et la chimie de capture du dioxyde de carbone, et ont réussi à augmenter la densité énergétique de la batterie et la capture du dioxyde », explique Kisuk Kang, professeur à l’Université nationale de Séoul en Corée du Sud, qui n’était pas associé à cette recherche.

«Même si une compréhension plus précise de la formation du produit à partir du dioxyde de carbone peut être nécessaire à l’avenir, ce type d’approche interdisciplinaire est très excitant et offre souvent des résultats inattendus, comme le démontrent les auteurs.», ajoute Kang.

Source : MIT