Chimie des substances naturelles et matériaux organiques : vers des batteries «renouvelables»?

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Vivien Lefebvre
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Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), UMR CNRS 6502, Nantes *.

1 Réunion du Groupe Biomasse - Les biomatériaux - Rueil-Malmaison - 26 mai 2014 Chimie des substances naturelles et matériaux organiques : vers des batteries «renouvelables»? Philippe Poizot 1, * 1. Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), UMR CNRS 6502, Nantes *. Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l Energie (RS2E), FR CNRS philippe.poizot@cnrs-imn.fr

En collaboration avec : Franck Dolhem 2, * 2.

2 Réunion du Groupe Biomasse - Les biomatériaux - Rueil-Malmaison - 26 mai 2014 Chimie des substances naturelles et matériaux organiques : vers des batteries «renouvelables»? En collaboration avec : Franck Dolhem 2, * 2. Laboratoire de Glycochimie, des Antimicrobiens et des Agroressources (LG2A), FRE CNRS 3517, 33 rue Saint-Leu, Amiens Cedex *. Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l Energie (RS2E), FR CNRS 3459

3 Plan de la présentation I/ Contexte énergétique & problématique «électrique», en bref II/ Stockage électrochimique / matériaux & éco-conception III/ Exemples : matériaux d électrode organiques bio-sourcés IV/ Perspectives

4 Plan de la présentation I/ Contexte énergétique & problématique «électrique», en bref II/ Stockage électrochimique / matériaux & éco-conception III/ Exemples : matériaux d électrode organiques bio-sourcés IV/ Perspectives

5 Indicateurs mondiaux : une croissance effrénée Energie primaire : 2* Transport (moteur à combustion) +50% en 10 ans* Demande en minerais Epuisement des ressources en métaux Gaz à effet de serre : 1,8* *Key World Energy Statistics 2011, IEA **International Data base World Population

6 Indicateurs mondiaux : dénominateur commun En 40 ans : +30% de profonds changements sont à venir

7 reconsidérer notre ingénierie énergétique 1 Décarboner la chaîne logistique de l alimentation électrique Chauffage Eclairage Action mécanique Refroidissement Communication Electricité ( vecteur) = facteur de développement / sécurité

8 reconsidérer notre ingénierie énergétique 1 Décarboner la chaîne logistique de l alimentation électrique ELECTRICITY CONSUMPTION AND SOCIO ECONOMIC INDICATORS From: M. S. Alam et al., Energy, 23, 791 (1998). Espérance de Vie : Déplétion rapide si < 1600 kwh/pers./an

9 reconsidérer notre ingénierie énergétique 2 Décarboner le secteur des transports Vers l Electrification des systèmes de transport

10 reconsidérer notre ingénierie énergétique 1 Décarboner la chaîne logistique de l alimentation électrique 2 Décarboner le secteur des transports PRESSION FORTE : production, transport, STOCKAGE

11 Plan de la présentation I/ Contexte énergétique & problématique «électrique», en bref II/ Stockage électrochimique / matériaux & éco-conception III/ Exemples : matériaux d électrode organiques bio-sourcés IV/ Perspectives

12 Problématique du stockage électrique Volant d inertie Stockage électrochimique Pompage/turbinage Air comprimé Accumulateurs : Systèmes rechargeables aux dimensionnements multiples

7 Ti 4+ 5O 12 électrolyte Fe 3+ PO 4 Courant, I Tension, U (V) U = E(+) E(-)

13 Principe de fonctionnement : ex, Batt. Li-ion ÉTAT DECHARGÉ : Li 4 Ti 3+ 5O 12 électrolyte LiFe 2+ PO 4 ÉTAT CHARGÉ : Li 7 Ti 4+ 5O 12 électrolyte Fe 3+ PO 4 Courant, I Tension, U (V) U = E(+) E(-) Energie (Wh) Electrolyte: [Li + /PF 6- ] 1 M dans PC MATERIAU n 2 d électrode NEGATIVE MATERIAU n 1 d électrode POSITIVE Capacité (Ah)

14 Accumulateurs (et piles) : chimie des métaux MATERIAUX DES ELECTRODES (+) and (-): synthèse : réaction à haute température (T ~600 C, hors extraction) source : matière non renouvelable (extraction minière) Coût : variabilité du cours des métaux Directive 2006/66/EC (éco-efficacité et recyclage)

15 Accumulateurs : vers une alternative «végétale»??? P. Poizot, F. Dolhem, Energy Environ. Sci., 4, 2003 (2011)

16 Développer une recherche parallèle : Des accumulateurs «organiques» Co, Ni, Mn, Fe, Ti, Vers des éléments plus abondants C, O, N, H Organismes photoautotrophes Production de substances chimiques

17 Développer une recherche parallèle : Vers des éléments plus abondants C, H, O, N Emergence des BIOraffineries : CO 2 sequestration/biomasse

18 Plan de la présentation I/ Contexte énergétique & problématique «électrique», en bref II/ Stockage électrochimique / matériaux & éco-conception III/ Exemples : matériaux d électrode organiques bio-sourcés IV/ Perspectives

19 Cas de Li 4 C 6 O 6 : dérive de l acide phytique Li 4 C 6 O 6 : origine bio-sourcée 8% en masse du jus de macération du maïs (amidonnerie) NON ALIMENTAIRE S. R. Hull, R. J. Montgomery, J. Agric. Food Chem., 43, 1516 (1995) Synthèse en 3 étapes

20 Potentiel (V vs Li + /Li 0 ) Capacité de charge (mah/g) Cas de Li 4 C 6 O 6 : dérive de l acide phytique Li 2 C 6 O 6 3,5 250 Réduction de Li 4 C 6 O 6 3 Li 4 C 6 O ,5 2 Oxydation de Li 4 C 6 O 6 Réduction de Li 4 C 6 O Oxydation de Li 4 C 6 O 6 1, ,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 x dans Li x C 6 O 6 Li 6 C 6 O Nombre de cycles H. Chen et al., J. Am. Chem. Soc., 131, 8984 (2009)

21 Cas de Li 4 C 6 O 6 : dérive de l acide phytique Li 4 C 6 O 6 : recyclage/valorisation par simple COMBUSTION Récupération du lithium Premier accumulateur Li-ion tout organique «renouvelable»

22 Cas de Li 4 -p-dht : dérive du D-glucose De manière simplifiée : Du sucre, de l eau, du CO 2 et de la chaleur S. Renault, S. Gottis, A.-L. Barrès, M. Courty, O. Chauvet, F. Dolhem, P. Poizot, Energy Environ. Sci., 6, 2124 (2013).

23 Cas de Li 4 -p-dht : dérive du D-glucose Excellentes performances sur le plan électrochimique Amélioration de la tension de sortie pour ce second prototype d accumulateur organique Li-ion

24 Cas de Li 4 -p-dht : et auto-recharge à l air Propriété remarquable : structure organique particulièrement sensible à l oxygène S. Renault, S. Gottis, A.-L. Barrès, M. Courty, O. Chauvet, F. Dolhem, P. Poizot, Energy Environ. Sci., 6, 2124 (2013).

25 Plan de la présentation I/ Contexte énergétique & problématique «électrique», en bref II/ Stockage électrochimique / matériaux & éco-conception III/ Exemples : matériaux d électrode organiques bio-sourcés IV/ Perspectives

26 Quelques éléments de réflexion Répondre aux défis énergétiques du moment (et de demain) s avère une tâche difficile Le stockage de l électricité en constitue un des enjeux importants Des solutions «DURABLES» doivent être proposées ce qui pousse à INNOVER sur le plan technique/scientifique L émergence des bioraffineries permet d envisager l accès à des produits chimiques bio-sourcés transformables en matériaux d électrode pour le stockage électrochimique Potentiellement à bas coûts

27 Merci pour votre attention

30 Rechargeable batteries: a key component Intermittent P. Poizot, F. Dolhem, Energy Environ. Sci., 4, 2003 (2011).

31 Big pressure on secondary batteries (especially LIBs) Perspectives of very large productions

32 Big pressure on secondary batteries (especially LIBs) Relevant DATA: Cathode side, production needs 90,000 tons: just for cathode materials

Accumulateurs (et piles) : chimie des métaux Exemple : Pack batterie de type (+) LiMn 2 O 4 / carbone (-) Potentiel de Réchauffement Global (PRG) Negative electrode ( 12% ) Positive electrode ( 52% )

33 Accumulateurs (et piles) : chimie des métaux Exemple : Pack batterie de type (+) LiMn 2 O 4 / carbone (-) Potentiel de Réchauffement Global (PRG) Negative electrode ( 12% ) Positive electrode ( 52% ) Separator ( 9% ) Electrolyte ( 14% ) 0.5 kg 2.2 kg 0.4 kg 0.6 kg 0.5 kg Other ( 13% ) Source : M. Gauch et coll., Empa (Suisse) kg CO 2 -eq per kg of batterie Energie grise «du berceau à la porte» ~200 kwh/kwh d énergie électrochimique stockée

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