La lignine, biopolymère essentiel des plantes, émerge comme une révolution pour le stockage d’énergie, transformant un sous-produit de l’industrie du papier en ressource électrochimique. Avec l’impulsion de géants comme Stora Enso et des projets en Europe, cette innovation pourrait révolutionner la durabilité des batteries.

La lignine : le biopolymère qui alimente notre avenir énergétique

La lignine, ce biopolymère essentiel qui confère rigidité et résistance à la bois, a évolué d’un simple sous-produit de la pâte à papier à un acteur clé potentiel dans le stockage de l’énergie. Son passage de déchet industriel à ressource électrochimique touche de nombreux centres de recherche, universités et fabricants en Europe, cherchant à réduire la dépendance à des matériaux critiques tout en diminuant l’empreinte environnementale du secteur.

Qu’est-ce que la lignine et pourquoi son utilisation dans les batteries ?

La lignine se trouve naturellement dans les plantes ligneuses, représentant environ 20 à 30% de la masse d’un arbre. Elle agit comme un "ciment" entre les fibres de cellulose, renforçant ainsi leur structure. Ce qui rend la lignine particulièrement intéressante, c’est le carbone qu’elle contient, qui peut être exploité comme précurseur pour des matériaux actifs d’électrodes, comme les structures amorphes ou le "carbone dur", idéales pour le stockage des ions et la résistance aux cycles de charge et décharge.

Dans l’industrie papetière, la lignine est traditionnellement séparée lors de la production de fibres et souvent brûlée pour générer de l’énergie. Cependant, transformer ce sous-produit en un matériau à valeur ajoutée ouvre de nouvelles possibilités circulaires, permettant de remplacer une partie du carbone fossile, tel que le graphite, présent dans les batteries actuelles, avec un coût potentiellement réduit.

Un composant durable

Outre son abondance, un autre aspect clé de la lignine est sa durabilité : si elle provient de la fabrication de pâte, elle n’exige pas d’abattage d’arbres supplémentaires. Des entreprises comme Stora Enso vérifient l’origine durable de leur matière première et produisent de la lignine à grande échelle (des dizaines de milliers de tonnes par an) depuis plusieurs années, créant ainsi une base industrielle pour le développement de technologies connexes.

Anodes en carbone dur à partir de lignine : du bois à l’électrode

L’utilisation la plus répandue jusqu’à présent est la fabrication de carbone dur à partir de lignine pour les anodes. Cette démarche implique de chauffer la lignine dans une atmosphère inerte pour la carboniser, produisant un matériau à la structure désordonnée et poreuse, favorisant ainsi l’insertion et l’extraction rapides des ions (qu’il s’agisse de lithium ou de sodium) tout en offrant une bonne stabilité au cycle.

La société Stora Enso a baptisé son carbone dur Lignode, conçu pour être intégré dans les anodes de batteries. Contrairement au graphite en couches, qui est plus lent à charger, Lignode présente une structure ouverte qui améliore la mobilité ionique, visant ainsi à accélérer le temps de recharge et en réduisant la dépendance à un graphite naturel ou synthétique importé.

Alliances stratégiques

Cette initiative n’est pas isolée ; des alliances industrielles se forment avec des fabricants de cellules tels que Northvolt et récemment avec Altris, spécialisée dans les ions de sodium. La combinaison Lignode + cathodes de type Bleu de Prusse (composés basés sur le fer, l’azote et le sodium) cible des batteries exemptes de métaux critiques comme le lithium, le nickel ou le cobalt, et utilise des matériaux abondants et non toxiques dans les deux électrodes.

Des chercheurs de l’Imperial College de Londres et des équipes aux États-Unis explorent aussi de nouveaux moyens d’optimiser cette technologie : elles montrent que les carbures durs riches en oxygène peuvent améliorer la réactivité et réduire les temps de charge dans les systèmes de sodium, allant même jusqu’à démontrer des anodes autoportantes en lignine, évitant certains composants comme les collecteurs de cuivre.

Projets innovants : ThüNaBsE

En Allemagne, l’Institut Fraunhofer IKTS et l’Université Friedrich Schiller de Jena travaillent sur une batterie à ions de sodium combinant des anodes en carbone à base de lignine dans le cadre du projet ThüNaBsE. L’objectif est de couvrir l’ensemble de la chaîne, de la matière première locale jusqu’à une cellule complète de 1 Ah, validée expérimentalement.

La lignine utilisée provient de l’entreprise Mercer Rosenthal. Après conversion thermique, elle se transforme en carbone dur, tandis que l’électrode positive est basée sur des analogues du Bleu de Prusse, des composés de fer abondants et non toxiques, excellents pour le stockage du sodium.

Les premiers résultats sont prometteurs : les cellules de laboratoire ont réussi plus de cent cycles sans dégradations significatives, l’objectif ultime étant d’atteindre 200 cycles dans la cellule de 1 Ah à la fin du projet.

Batteries de sodium avec anodes en lignine : Altris

Altris, qui développe des cellules à ions de sodium en Europe, s’est associé à Stora Enso pour intégrer Lignode dans ses anodes. Ce partenariat n’est pas que technique, il a aussi une portée géopolitique : l’Europe dépend à plus de 90% des importations chinoises de graphite, substituer ce dernier par du carbone d’origine forestière locale réduit cette vulnérabilité.

En alliant cette technologie aux cathodes basées sur la chimie du Bleu de Prusse, l’approche privilégie la sécurité d’approvisionnement et la durabilité. En théorie, cette solution vise à éliminer les métaux critiques, simplifier le recyclage et rapprocher la chaîne de valeur du territoire européen.

Toutefois, le défi réside dans la fabrication à grande échelle et dans la démonstration que les coûts et prestations correspondent aux attentes commerciales. Les prochaines années seront cruciales pour établir si ces anodes en lignine permettent des batteries compétitives en densité énergétique, longévité et capacité de charge rapide.

Électrolytes à base de lignine : vers une gelée conductrice

La lignine n’est pas seulement utile pour les anodes ; elle peut également être incorporée dans l’électrolyte, le milieu dans lequel les ions se déplacent entre les électrodes. Des chercheurs en Italie ont développé un électrolyte polymérique en gel à base de lignine pour une batterie expérimentale de potassium, tirant parti de sa nature polymérique et de sa base de sécurité, plus favorables que d’autres options organiques souvent inflammables.

Ce développement est encore moins avancé que celui des carbones durs, mais il contribue à un panorama d’opportunités. Des électrodes et électrolytes bio-basiques dans une même cellule pourraient ouvrir la voie à des batteries à contenu renouvelable plus élevé et potentiellement plus faciles à recycler.

Batteries de flux redox organiques : une alternative sécurisée

Pour le stockage à grande échelle, les batteries de flux redox (BFR) offrent modularité et longévité, mais nécessitent souvent un système de refroidissement et utilisent du vanadium, une matière première critique. Le projet européen BALIHT propose une alternative organique avec un électrolyte aqueux à base de lignine qui fonctionne à des températures allant jusqu’à 80 °C, améliorant ainsi l’efficacité énergétique de 20% par rapport aux BFR organiques de référence.

Avec un design intégrant des capteurs à fuite contrôlée, la gestion énergétique avancée permet une interface simple et une compatibilité avec différents types de batteries, validée dans des environnements chauds.

Lignine et zinc : une combinaison prometteuse

Une autre avenue en Suède explore une batterie avec un anode en zinc et un composant de lignine. Cette utilisation d’un électrolyte « sel dans l’eau » polymérique permet de stabiliser le zinc. Traditionnellement, le zinc souffre de la formation de dendrites et de l’hydrogène dans des électrolytes aqueux, mais avec le système proposé, une stabilité exceptionnelle a été démontrée.

En prototype, cette batterie conserve environ 80% de sa capacité après 8 000 cycles de charge et décharge, conservant la charge pendant environ une semaine sans utilisation, dépassant ainsi la performance des batteries de zinc traditionnelles. Les matériaux utilisés étant à la fois abordables et abondants, le système est facilement recyclable, avec un coût par cycle compétitif avec les solutions au lithium dans certaines applications.

Coûts, empreinte et approvisionnement : des atouts majeurs

Un des points sensibles de l’industrie actuelle concerne le graphite. Son processus de fabrication nécessite des températures élevées allant de 2 500 à 3 000 °C, engendrant une empreinte énergétique considérable souvent associée à des centrales au charbon. La lignine, comme sous-produit de la pâte à papier, peut être traitée à des températures plus basses, réduisant ainsi le coût énergétique et les émissions associées.

Avec un approvisionnement local et une certification forestière, l’argument de durabilité et de résilience de la chaîne d’approvisionnement devient de plus en plus convaincant. Cela permet également de minimiser l’utilisation de matériaux critiques, tel que le sodium au lieu du lithium, ainsi que l’utilisation de cathodes type Bleu de Prusse en remplacement des métaux chers.

Perspectives d’avenir : vers une massification ?

Bien que l’enthousiasme soit palpable, des défis subsistent. Des experts avertissent que la transition du laboratoire au marché n’est pas simple. La concurrence avec le graphite demeure forte en termes de coût et de performance, et des doutes subsistent concernant un remplacement total dans un avenir proche, notamment pour les applications nécessitant une densité énergétique élevée.

Il est crucial d’ajuster chaque chimie à son application spécifique. Les applications de stockage stationnaire, le zinc-lignine pour un million de cycles potentiels, ou encore la légèreté du sodium et du carbone dur ne manqueront pas d’acquérir une place prépondérante.

L’écosystème émergent autour de la lignine dans le secteur des batteries est en train de prendre forme, combinant recherche avancée, projets pilotes industriels, alliances stratégiques et un argumentaire de durabilité difficile à ignorer. Si la scalabilité et les coûts suivent le courant, la lignine pourrait très bien devenir un acteur clé de la transition énergétique.

Fabrication d’un anode de lignine : le processus

• Séparation de la lignine lors de la production de pâte à papier. C’est un sous-produit abondant récupéré pendant le processus de pulpage.
• Traitement thermique en atmosphère inerte pour convertir la lignine en carbone avec une structure désordonnée.
• Formulation de couches et revêtements, traitant la poudre de carbone en feuilles d’électrode avec des liants et des additifs.
• Assemblage de la cellule avec cathode, séparateur et électrolyte, créant la batterie prête à être testée.

Sécurité et recyclabilité : des forces indéniables

Avec des électrolytes aqueux dans les BFR, une inflammabilité réduite par rapport aux solvants organiques et moins de métaux critiques, les atouts de la voie bio-basiques se renforcent. En outre, l’utilisation d’agents liants et de processus solubles dans l’eau facilite la récupération des matériaux actifs en fin de vie.

Dans les BFR organiques, fonctionner à 60-80 °C, sans systèmes de refroidissement complexes, contribue à réduire le coût total. Un suivi de cycle de vie social et environnemental valide inclus dans des projets comme BALIHT mesurant les impacts résiduels sur la sécurité au travail, les salaires et la recyclabilité effective, représente un atout supplémentaire sur le marché en matière de règlementation, très prisée pour attirer des investissements.

Défis à relever et futures directions

Des défis demeurent : optimiser les performances électrochimiques, ciblant la densité énergétique, la rapidité de charge et la durabilité des cycles supérieur à 1 000 avec du sodium et de la lignine. L’architecture et les défauts des carbones durs, alliés au bon choix d’électrolyte, seront décisifs.

De plus, il faudra réussir à élever l’échelle industrielle en contrôlant les coûts. Une fourniture de lignine stable et certifiée et des processus de carbonisation standardisés doivent être établis. La collaboration entre recherche, industrie et pouvoirs publics doit se poursuivre pour passer avec succès le « vallon de la mort » technologique.

Bien que des réserves subsistent sur la capacité à dominer le marché à court terme dans certains secteurs de haute exigence en densité énergétique, le potentiel d’applications reste vaste et ambitieux. La force du projet de lignine réside dans sa capacité d’adaptation, allant des anodes de sodium jusqu’aux électrolytes et batteries de flux, chaque partie jouant son rôle.

L’eldorado de l’innovation, notamment grâce à ses dérivés, pourrait voir le jour. Cela offre un calendrier allant au-delà des attentes, avec un éventail de solutions perdurant en parallèle. Ce système se consolidant autour de la lignine dans le secteur des batteries reflète à la fois innovation, diagnostic et un discours environnemental fort.

Mon avis :

La lignine, originaire de l’industrie papetière, émerge comme alternative prometteuse pour les batteries, promettant durabilité et réduction de l’empreinte carbone. Si des applications telles que les ánodes en carbone dur montrent un potentiel significatif, des défis subsistent concernant la compétitivité avec le graphite en termes de coût et de performance.

Les questions fréquentes :

Qu’est-ce que la lignine et pourquoi est-elle intéressante pour les batteries ?

La lignine est un polymère naturel présent dans les plantes ligneuses, représentant environ 20-30 % du volume d’un arbre. Elle agit comme un "collant" entre les fibres de cellulose et apporte de la rigidité. Son principal atout réside dans le carbone qu’elle contient, qui peut être utilisé comme précurseur pour des matériaux actifs d’électrodes. Cela permet de créer des structures amorphes, idéales pour accueillir des ions tout en supportant les cycles de charge et de décharge.

Comment la lignine est-elle transformée en anodes de carbone dur ?

La méthode la plus courante consiste à chauffer la lignine dans une atmosphère inerte pour la carboniser. Ce processus produit un matériau poreux et désordonné qui facilite l’insertion et l’extraction rapide des ions comme le lithium ou le sodium, tout en offrant une bonne stabilité de cycle. Des entreprises comme Stora Enso ont développé des anodes de carbone dur à partir de lignine, utilisées dans des batteries modernes.

Quels sont les avantages environnementaux de l’utilisation de la lignine ?

L’un des principaux avantages de la lignine est qu’elle provient d’un sous-produit de la fabrication de pâte à papier, ne nécessitant pas d’abattage d’arbres supplémentaires. Elle peut ainsi remplacer une partie du carbone fossile utilisé dans les batteries, tout en étant potentiellement moins coûteuse à produire. L’approvisionnement local et la certification durable améliorent également la résilience de la chaîne d’approvisionnement par rapport aux matériaux critiques importés.

Quels défis restent à surmonter pour l’industrialisation des batteries à base de lignine ?

Il reste plusieurs défis à relever, notamment l’optimisation des performances électrochimiques en termes de densité énergétique, de rapidité de charge et de durabilité. La collaboration entre la recherche académique, l’industrie et les administrations est essentielle pour garantir un approvisionnement stable et certifié en lignine, tout en standardisant les processus de carbonisation et de revêtement afin de passer à une production à grande échelle.