Du stockage électrochimique à partir de matériaux de construction. Ainsi se résument les travaux de recherche d’une équipe franco-espagnole, publiés en avril dernier dans Materials Horizons, qui présentent une batterie solide zinc-ion dont l’électrolyte est un géopolymère à base de métakaolin, un polymère inorganique d’aluminosilicates, reconnu comme matériau de construction plus écologique que le ciment classique.
De nombreuses études, dès les années 1960, ont déjà mis en avant la faisabilité d’utiliser des matériaux de construction, comme le ciment, en tant qu’électrolytes de systèmes de stockage électrochimiques. Cependant, les chercheurs franco-espagnols notent dans leur publication que, jusqu’à présent, les performances de tels systèmes restaient limitées. Une étude suédoise de 2021 présentait par exemple une batterie à électrolyte en ciment classique à densité d’énergie très faible de 0,8 Wh/L.
Densité d'énergie de 3,3 Wh/L
Grâce à l’utilisation du géopolymère métakaolin, présentant une phase liquide résiduelle suite à son activation par une solution de sulfate de zinc – lui permettant une meilleure conductivité ionique – les chercheurs franco-espagnols ont multiplié par 4 la densité énergétique de leur batterie pour obtenir une valeur de 3,3 Wh/L. Une valeur qui reste toutefois plus de 150 fois inférieure à celle de batteries usuelles : la densité d’énergie d’une batterie lithium-ion peut attendre 570 Wh/L.
Le géopolymère métakaolin est un matériau connu du secteur de la construction, puisqu’il sert, en tant que liant du béton, d’alternative écologique au ciment Portland. En effet, la production de ce géopolymère émet jusqu’à 57 % moins de CO2, d’après une étude citée par les chercheurs, que celle du ciment Portland aujourd’hui largement utilisé dans le secteur.
La conception d’un système de batterie solide à base d’un matériau utilisé dans la construction ouvre la possibilité de stocker de l’électricité dans les murs de bâtiments. « Nous considérons qu’il existe un tel potentiel », confirment pour Industrie & Technologies Vadim Kovrugin et Cyril Aymonier, chercheurs à l’institut de chimie de la matière condensée de l’université de Bordeaux et coauteurs de l'étude. « En revanche, il s’agit à ce stade d’une perspective de recherche, et non d’un développement technologique démontré : nous n’avons pas encore étudié de manière détaillée l’intégration à l’échelle architecturale de ces systèmes dans des murs ou d’autres éléments structurels », tempèrent les deux chercheurs.
Batteries dans des cloisons, dalles ou panneaux préfabriqués...
Les scénarios envisagés par les chercheurs impliquent l’incorporation des batteries dans des cloisons, dalles ou panneaux préfabriqués mais également d’autres infrastructures : ponts, barrages, canalisations et autoroutes. « Un certain niveau d’humidité est nécessaire au fonctionnement du dispositif », précisent les deux chercheurs. « Les environnements humides et les structures exposées à l’humidité pourraient ainsi constituer des cas d’usages possibles ».
Le chemin vers l’intégration de systèmes de stockage électrochimiques dans les murs de bâtiments est cependant encore long. En cause, de nombreuses problématiques encore non élucidées, liées notamment à la stabilité des matériaux utilisés à long terme, à leurs interactions avec les autres matériaux de construction et au coût de telles intégrations — les géopolymères coûteraient en moyenne deux fois plus que le ciment Portland.
