Les micropiles à éthanol sont prometteuses... mais se font attendre par Quentin Mauguit

Les micropiles à éthanol sont prometteuses... mais se font attendre

Pour alimenter les appareils nomades du futur, les micropiles à combustible suscitent de nombreuses convoitises, notamment celles qui puisent leur énergie dans l’éthanol. Mais malgré de forts espoirs, leur commercialisation tarde à venir. Alors, où en est-on ? La présentation par l'INRS des travaux de l’équipe de Mohamed Mohamedi permet de faire le point.

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L’éthanol qui pourrait alimenter les futures micropiles à combustible, et donc nos appareils électroniques nomades, peut être synthétisé à partir de déchets agricoles ou forestiers. Ainsi, sa production à grande échelle n’engendre pas de concurrence avec les cultures alimentaires, ce qui lui procure un avantage supplémentaire.

Depuis quelques années, les micropiles à combustible font rêver les fabricants d’appareils électroniques nomades. En effet, elles promettent une meilleure autonomie que les batteries lithium-ion, tout en réduisant le temps de recharge aux quelques secondes requises pour changer la cartouche de carburant. L’utilisation directe d’hydrogène est peu envisageable dans cette technologie, du fait qu’il est gazeux à température ambiante. Nous imaginons mal insérer des réserves de gaz comprimé dans nos téléphones portables actuels.

Ainsi, les groupes de recherche se sont tournés vers d’autres combustibles, comme le méthanol ou l’éthanol qui sont tout deux riches en liaisons hydrogènes. Concrètement, au sein des micropiles à combustible fonctionnant à l’alcool, l’éthanol réagit tout d’abord au niveau de l’anode. Ses liaisons chimiques y sont rompues, ce qui libère de l’hydrogène et du gaz carbonique (CO₂), tout en fournissant les électrons nécessaires à l’apparition d’un courant électrique. L’hydrogène migre alors vers la cathode, où il réagit avec de l’oxygène pour former des molécules d’eau, en captant cette fois des électrons.

En 2007 et 2008, de grands constructeurs ont annoncé d’importantes avancées technologiques dans ce domaine, promettant alors de rapides commercialisations. Sept à huit ans plus tard, il faut se rendre à l’évidence : nous attendons toujours ces micropiles. Grâce à la présentation des travaux dirigés par Mohamed Mohamedi faite par le journal en ligne de l’Institut national de recherche scientifique canadien (INRS), des indices ont été fournis sur les difficultés rencontrées, ainsi que sur les solutions envisagées au Centre énergie matériaux télécommunications.

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D’ici quelques années, nos téléphones portables pourraient être alimentés par des cartouches d’éthanol, à la manière des cartouches d’encre utilisées pour recharger les stylos à plume. Les chargeurs sont-ils amenés à disparaître ?

Un alliage pour éviter l’encrassage des électrodes

Cette technologie exploite préférentiellement le platine (Pt) comme catalyseur, car il dope la puissance des piles et les rend ainsi attrayantes. Problème : il s’agit d’un métal onéreux et non durable. De plus, les dispositifs l’utilisant ne brisent pas toutes les liaisons de l’alcool, ce qui provoque l’apparition de produits intermédiaires comme le monoxyde de carbone ou l’acide acétique. Or, ils se fixent sur le catalyseur et inhibent ainsi progressivement son action. Par conséquent, la puissance de la pile ne cesse de diminuer au cours du temps, ce qui retarde évidemment sa commercialisation.

Pour remédier au problème, l’équipe canadienne travaille sur de nouvelles anodes qui se composeraient de plusieurs métaux ou oxydes différents, ce qui aurait déjà comme conséquence directe de réduire l'utilisation du platine, et donc le coût de cette technologie. Les recherches visent ainsi à développer des catalyseurs composés de trois matériaux (Pt, Pt-SnO₂, Pt-CeO₂). L’astuce : chacun intervient préférentiellement dans la rupture d’une liaison chimique précise (carbone-carbone, carbone-hydrogène ou carbone-oxygène) dans le but d’intégralement dégrader l’éthanol. Ce faisant, plus aucuns produits intermédiaires ne seraient produits.

Selon les propos de Mohamed Mohamedi rapportés dans l’article de Bruno Geoffroy, « aujourd’hui, deux catalyseurs ont déjà été sélectionnés pour faire partie du trio. Et, dans trois à cinq ans, on espère sortir ce catalyseur trimétallique ou à base d’oxyde. D’ici là, beaucoup d’essais restent à faire pour déterminer les proportions optimales de chacune des trois composantes du catalyseur. »

Des micropiles à combustible dopées par la nanostructuration

Les chercheurs suivent également une autre piste pour améliorer les propriétés électrochimiques de tels systèmes : la nanostructuration. Concrètement, l’ablation laser est utilisée pour déposer des petites particules métalliques sur l’électrode. Grâce à cette approche, la composition, la taille et la structure des nanoparticules qui composent l’alliage sont parfaitement maîtrisées. Dans ce domaine, une agréable surprise a été faite : l’une des structures obtenues a présenté la forme foliacée d’une « tête de choux ». Or, « cette morphologie très poreuse permet d'améliorer la performance électrochimique de la pile, car la surface de contact entre l'éthanol et le catalyseur est alors très élevée », a précisé Mohamed Mohamedi.

Ces quelques avancées ne sont bien sûr l’œuvre que d’un seul laboratoire, mais elles ont le mérite de dresser un état des lieux de quelques-unes des solutions envisagées pour mener cette technologie à la commercialisation. Car, ne l’oublions pas, l’usage de l’éthanol se révèle également intéressant pour des raisons environnementales. Par exemple, ce carburant peut être produit à partir de déchets végétaux, donc sans consommation d’énergie fossile comme c’est le cas pour générer l’hydrogène gazeux. Par ailleurs, il n’est pas non plus toxique pour l’environnement. Affaire à suivre donc…

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