Le dioxyde de titane : la solution au problème des batteries ?

Le dioxyde de titane pourrait jouer un rôle crucial dans le développement de la prochaine génération de batteries rechargeables.

Les batteries, c’est l’avenir. Entre l’augmentation des véhicules électriques, le stockage de l’énergie en réseaux à grande échelle et la transition vers une énergie plus renouvelable, la volonté de développer des batteries plus efficaces et plus durables n’a jamais été aussi forte.

Créer des batteries à la fois longue durée et plus performantes n’est pas chose aisée, et il reste quelques problèmes à surmonter avant de pouvoir y parvenir. Cette solution est encore très loin du stade de la commercialisation, mais des études ont démontré que le dioxyde de titane pourrait jouer un rôle déterminant dans le développement des batteries de demain, en particulier les modèles rechargeables.

 

Les batteries au lithium

La plupart des batteries utilisées pour stocker d’importants volumes d’énergie – ou conçues pour être rechargées – sont des batteries au lithium.

Ces batteries stockent et libèrent de l’énergie en déplaçant des ions entre les pôles positif et négatif (les électrodes) sous l’effet d’une substance chimique appelée « électrolyte ». Quand la batterie est en charge, les ions se déplacent vers l’électrode négative. Quand la batterie est utilisée, les ions circulent vers l’électrode positive, ce qui crée un courant électrique.

Avec les batteries ordinaires, le processus qui génère une charge électrique ne peut se produire qu’une fois, et dans une seule direction. Mais avec les batteries rechargeables au lithium, le processus chimique est réversible, ce qui permet d’utiliser la batterie plusieurs fois.

 

Pourquoi le dioxyde de titane ?

Le dioxyde de titane (TiO2) a démontré son utilité pour une variété d’applications, qu’il s’agisse de remplacer les électrodes des nouvelles batteries ou d’accélérer le processus de charge.

« Certaines propriétés du TiO2 sont intéressantes dans le contexte des batteries rechargeables », explique le Professeur Colm O’Dwyer, de l’université de Cork, en Irlande, qui a mené des recherches sur le sujet.

« Pour commencer, le dioxyde de titane permet une réaction réversible avec le lithium, et celle-ci est relativement stable par rapport au graphite contenant du lithium que l’on peut trouver dans les électrolytes de certaines batteries. Et parce que ce processus peut se répéter de nombreuses fois, on peut concevoir qu’il permette de réduire la nécessité de recycler les batteries. »

La possibilité de recharger les batteries est de plus en plus importante face au nombre croissant d’appareils électroniques mobiles que nous utilisons, et joue un rôle clé dans la transition vers des formes d’énergie renouvelables : un stockage efficace de l’énergie permettrait de contrebalancer la production d’énergie solaire ou éolienne, qui reste aléatoire.

Les batteries

 

Les batteries avec électrodes en nanotubes

En 2015, une équipe de chercheurs de l’Université de technologie de Nanyang, à Singapour, a développé une méthode permettant de transformer des nanoparticules de dioxyde de titane en nanotubes par brassage. Ces tubes minuscules, dont la largeur est égale à un millième de poil humain, sont obtenus par une méthode de brassage au cours duquel les particules sont allongées pour former un tube.

Au lieu d’utiliser le traditionnel graphite, les chercheurs ont placé dans l’électrode négative d’une batterie au lithium un gel contenant les nanotubes. Ce processus a accéléré la réaction chimique qui se produit dans l’électrolyte, créant ainsi une batterie qui peut être rechargée à 70 % de sa capacité en deux minutes seulement, et dont la durée de vie est de 20 ans. Cette méthode pourrait réduire considérablement les déchets causés par les batteries.

En effet, quand une batterie est utilisée, les matériaux qu’elle contient commencent à se désagréger, ce qui provoque une perte d’efficacité. Mais comme le Professeur O’Dwyer et son équipe l’ont découvert l’an dernier, quand on ajoute du dioxyde de titane sous forme poreuse à une batterie au lithium, ses composants restent intacts, même après qu’elle a été chargée et déchargée plus de 5 000 fois.

« On appelle « opale inverse » l’architecture en 3D des nanoparticules de la phase rutile du dioxyde de titane. Elle est formée en remplissant des opales artificielles conçues en laboratoire avec les composants actifs d’une batterie », explique le Professeur O’Dwyer.

« Les structures en opales inverses sont présentes dans la nature. Ces structures périodiquement poreuses sont à l’origine des parties colorées et irisées que l’ont peut voir sur les ailes des papillons, les plumes des paons, les structures exo-squelettiques des charançons et l’aphrodite de mer, pour n’en citer que quelques exemples. »

Dans une batterie, la forme poreuse du dioxyde de titane est conductrice, et ce sans y ajouter les additifs actuellement utilisés dans les électrodes des batteries commerciales.

Par ailleurs, le lithium réagit efficacement avec la structure poreuse, ce qui signifie que la batterie se recharge rapidement.

Les batteries au lithium qui contiennent du TiO2 sont parfois appelées batteries au lithium à base de titanate de lithium. En plus de se recharger plus vite et d’avoir une plus longue durée de vie, ces batteries sont également plus sûres car leurs composants sont plus stables.

Batteries à nanofils au lithium

Une nano-forêt de batteries à nanofils au lithium.

Au delà du lithium

Mais il ne s’agit pas uniquement des ions de lithium.

Quand un ion de lithium se dirige d’une électrode à l’autre, il y a un transfert d’électron. Or les chercheurs ont commencé à expérimenter avec d’autres métaux dits « plurivalents » : chaque fois qu’un ion se déplace, deux électrons ou plus sont transférés. Cette réaction plus efficace pourrait multiplier par deux ou trois le stockage de la batterie.

Le seul problème est de déterminer quels matériaux utiliser comme composants de ces batteries.

Des recherches publiées en septembre dernier par une équipe comprenant le Dr Benjamin Morgan, du département de chimie de l’université de Bath, en Angleterre, révèlent qu’en remplaçant l’électrode négative par du dioxyde de titane, on peut faire fonctionner une batterie plurivalente.

En effet, le dioxyde de titane peut être adapté dans le but d’introduire volontairement des défauts. Ceux-ci créent un espace que peuvent combler des ions plurivalents comme le magnésium et l’aluminium, provoquant ainsi le transfert de plusieurs électrons à chaque fois.

Avec ce processus, une batterie pourrait stocker plus d’énergie qu’une batterie au lithium de taille équivalente.

« Il reste un certain nombre d’obstacles techniques à surmonter, notamment trouver des matériaux qui feraient office d’électrodes efficaces pour les ions plurivalents, a expliqué le Dr Morgan. À long terme, cette preuve de concept est une possible avancée vers le développement de batteries « au-delà du lithium », dont les performances seront supérieures. »

Évoquant les recherches menées sur les nouveaux composants de batteries qui pourraient avoir plusieurs applications – des appareils mobiles au stockage d’énergie –, le Dr Morgan a précisé que les batteries à rendement plus élevé deviendront  « de plus en plus importantes à mesure que nous abandonnerons les combustibles fossiles au profit de sources d’énergie plus écologiques. »

 

Demain

L’un des avantages d’utiliser le dioxyde de titane dans les batteries de demain est qu’il est présent en abondance.

Par ailleurs, « la forme du TiO2, après sa réaction répétée avec le lithium, est très stable dans de nombreuses électrolytes de batterie, ce qui favorise une longue durée de vie », explique O’Dwyer.

Mais certains défis restent à surmonter. « En tant qu’anode (électrode positive), le TiO2 a un voltage plus élevé que le graphite actuellement utilisé. »

Les faibles voltages sont généralement privilégiés car ils permettent de maximiser le courant de sortie de la batterie. « Mais ce n’est pas nécessaire pour toutes les batteries rechargeables. La longévité d’un fonctionnement stable peut également être importante pour certaines applications. »

Alors même s’il finit par être utilisé pour des applications commerciales, le dioxyde de titane ne sera pas forcément la réponse à tous les problèmes de batteries rechargeables, mais à certains d’entre eux.

« Ce n’est sans doute pas le meilleur choix pour les batteries à haute intensité énergétique des véhicules électriques, par exemple », explique le Professeur O’Dwyer.

Mais il ajoute que l’utilisation du dioxyde de titane serait intéressante pour d’autres types de batteries, comme celles des ordinateurs portables ou des smartphones, « pour lesquels un système rechargeable à longue durée de vie est important. »