Raquettes de tennis, chaussures de sport, pneus de vélo… Le graphène a beau se faire une place parmi quelques applications de niche, il peine à passer à l’échelle industrielle. «Il manque encore cette première grosse application qui aura besoin de tonnes de matériaux par an, estime Henning Döscher, chercheur dans le département des technologies émergentes au Fraunhofer institute for systems and innovation research à Karlsruhe (Allemagne) et responsable de la feuille de route technologique du Graphene Flagship. Peu importe laquelle, il en faut une.»
Pourtant, les moyens de produire du graphène et les producteurs ne manquent pas. La version monocouche – le « vrai » graphène – est obtenue par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). C’est le procédé employé par Graphene a en Espagne ou Versarien au Royaume-Uni. En France, Graphene Production, Carbon Waters et Blackleaf fabriquent du graphène par exfoliation du graphite en phase liquide. Cela donne une suspension d’empilements de quelques feuillets en solution qui peut être utilisée en additif dans d’autres matériaux (polymère, encre, peinture… ). « Les volumes ne peuvent venir que de ce mode de production », estime Henning Döscher. Mais cela ne veut pas dire que le CVD n’est pas industrialisable. Quant à l’exfoliation mécanique – avec du scotch et du graphite –, elle reste principalement artisanale.
Convaincre les industriels frileux
« Si on compile ce que les producteurs annoncent, les capacités de production sont largement supérieures à la demande, poursuit Henning Döscher. Elles stagnent aujourd’hui. Tout le monde est prêt au changement d’échelle, mais personne n’est prêt à le financer sans clients. Et les clients ne viennent pas tant que le changement d’échelle n’a pas eu lieu. C’est le point deblocage. » L’enjeu actuel n’est donc pas de produire plus de graphène, mais de convaincre les industriels de s'en emparer. Car ils sont frileux. Une question de coût ?
« C'est un frein, et tous les producteurs tentent de le réduire », remarque Henning Döscher. Évidemment, aucun d'eux ne communique sur ses prix. Dans une étude publiée en février 2021, le chercheur a compilé les estimations des experts du secteur: alors que le prix de l'empilement de quelques feuillets de graphène (GNP) variait entre 100 et 700 euros par kilogramme (kg) en 2018, une valeur d'environ 50 euros par kg est considérée comme viable pour des premières applications à grande échelle. D'ici à 2030, le prix des GNP devrait atteindre entre 8 et 25 euros par kg en fonction de la qualité, voire 6 euros par kg à long terme.
Pour convaincre, les producteurs de graphène remontent leurs manches. « Un mouvement s'est opéré ces dernières années, souligne Charlotte Gallois, chargée d'affaires chez Carbon Waters. Nous sommes passés d'une approche où nous vantions les mérites de notre matériau seul, à une approche fondée sur les besoins des industriels. Nous développons désormais des produits sur la base de leur cahier des charges. » Beaucoup de producteurs se sont dotés d'un bureau d'études où ils développent des applications à proposer aux industriels. « Nous n'avons pas le choix, il faut créer le marché, admet Yannick Lafue, le PDG de Blackleaf. Nous sommes des évangélisateurs du graphène. »
De nombreux secteurs concernés
Ce changement d'approche s'expliquerait, selon Henning Döscher, de trois manières. D'abord, le désespoir. « Les producteurs n'arrivent pas à vendre leur produit, ils doivent donc trouver des solutions », avance-t-il. Ensuite, l'utilisation du graphène est tellement spécifique à chaque application qu'il faut travailler en amont et main dans la main avec l'industriel. Enfin, il faut prendre en compte la valeur ajoutée. « Plutôt que de vendre un produit basique à bas coût, il vaut parfois mieux vendre plus cher un produit plus élaboré et directement utilisable par le client», précise-t-il.
Selon Yannick Lafue, les industriels se montrent de plus en plus intéressés. « Au départ, nous étions à 100 % proactifs. Maintenant, ils viennent vers nous un peu moins d'une fois sur deux. » Impossible d'avoir des noms pour cause de confidentialité. Et difficile de les trouver. « Ils ne veulent généralement pas en parler publiquement», confie Julien Petrizzelli, le fondateur de Graphene Production. « Ce sont de gros industriels », affirme Yannick Lafue. Aéronautique, pétrole, défense, packaging, béton… De nombreux secteurs sont concernés. Carbon Waters, lui aussi, indique travailler avec des gros industriels du spatial, de l'automobile, du luxe…
D'où viendra cette application qui permettra de changer d'échelle ? Des batteries et des composites, indique Henning Döscher. Carbon Waters, Blackleaf et Graphene Production évoquent également les revêtements anti-corrosion. « Ce sera le premier marché du graphène », estime Julien Petrizzelli. « Un marché de centaines de milliers de tonnes par an », abonde Yannick Lafue. « C'est un grand axe sur lequel nous travaillons, ajoute Charlotte Gallois. Notre premier produit est en test de pré-qualification chez des industriels. » L'idée est de remplacer en totalité ou en partie des additifs à base de zinc ou de chrome par des additifs à base de graphène. « Nous avons commencé dans le bâtiment et nous avons maintenant des projets dans le naval, l'aéronautique et le ferroviaire », poursuit-elle.
Au-delà des quelques litres par semaine pour alimenter son bureau d'études, Carbon Waters veut être capable de produire 5 tonnes annuelles dans une usine en région bordelaise, qui devrait être opérationnelle fin 2023 ou début 2024. Blackleaf envisage, de son côté, de produire une centaine de tonnes par an d'ici à 2024 dans un nouveau site à Strasbourg. Des annonces qui montrent qu'ils ont bon espoir devoir cette fameuse application commerciale majeure arriver tôt ou tard.
Le graphène monocouche veut changer d'échelle
C'est le seul procédé qui permette d'obtenir du «vrai» graphène, composé d'une couche unique de carbone : le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Autrement dit, du carbone issu de méthane chauffé qui s'assemble sur un substrat métallique. Un procédé difficilement industrialisable ? Et destiné à la recherche ? Vincent Bouchiat, le fondateur de Grapheal, n'est pas d'accord : « C'est une technique dédiée à des applications qui nécessitent des petites quantités de graphène sur de grandes surfaces. Mais elle est industrielle. » Grapheal en utilise pour ses dispositifs de diagnostic médical à base de graphène. « Nous avons aujourd'hui besoin de plus grosses quantités. Nous sommes en pourparlers avec différentes sociétés. » En Espagne, Graphenea, créé en 2010, synthétise du graphène par CVD. « Au départ, nos clients venaient du monde académique ou étaient des entreprises en phase de prototypage ayant de petits besoins, souligne Jesus de la Fuente, son PDG. Maintenant, les premiers produits sont en voie de commercialisation et nous voulons les accompagner. » À l'instar d'Emberion et sa caméra à détection dans le visible et l'infrarouge court. L' optoélectronique fait partie des domaines privilégiés de Graphenea, avec la photonique et le diagnostic médical. L'entreprise dispose d'une ligne de production sur des wafers de 150 millimètres (mm) et souhaite passer à 200 mm. « Il faut optimiser le procédé, adapter au graphène des machines faites pour de l'électronique silicium, et investir beaucoup, estime le PDG. C'est un challenge. » Mais ce n'est pas infaisable.
