Une batterie innovante sans dégradation après 220 cycles en 2025

Alors que la transition énergétique s’accélère à travers le monde, l’un des plus grands défis demeure le stockage de l’électricité produite par les sources renouvelables. Les batteries classiques, souvent basées sur des métaux rares ou des électrolytes toxiques, montrent leurs limites en termes de durabilité, de coût et d’impact environnemental. C’est dans ce contexte que les batteries redox organiques aqueuses (AORFB) émergent comme une piste prometteuse. Une équipe de chercheurs chinois, menée par le professeur Gang He à l’université Xi’an Jiaotong, vient de franchir une étape décisive en développant une batterie dont l’électrolyte résiste à la dégradation sur des centaines de cycles. Cette avancée, fondée sur une ingénierie moléculaire innovante, pourrait bien redéfinir les standards du stockage d’énergie à grande échelle.

Quels sont les principaux obstacles aux batteries redox organiques aqueuses ?

Les batteries redox organiques aqueuses attirent l’attention des scientifiques depuis plusieurs années en raison de leur potentiel écologique et économique. Contrairement aux batteries lithium-ion, elles utilisent des composés organiques dissous dans de l’eau, ce qui élimine les risques d’inflammabilité et réduit l’empreinte carbone. Parmi les matériaux étudiés, les dérivés du naphtalène diimide (NDI) se distinguent par leur capacité à accepter deux électrons par molécule, offrant ainsi une densité énergétique intéressante pour un anolyte.

Cependant, leur stabilité en milieu aqueux pose problème. L’électrolyte basique, nécessaire au bon fonctionnement de la batterie, contient des ions hydroxyde (OH⁻) qui s’attaquent aux parties sensibles de la molécule de NDI, notamment les chaînes latérales et les anneaux imides. Ce phénomène, connu sous le nom d’attaque nucléophile, conduit à une dégradation progressive du matériau. Par ailleurs, lors des cycles de charge, les molécules de NDI ont tendance à s’agréger, formant des structures instables qui augmentent la viscosité du liquide et perturbent le transfert d’ions. Ce double écueil — instabilité chimique et agrégation — a longtemps freiné le développement de ces technologies.

Le professeur Gang He et son équipe ont observé que même si certaines modifications chimiques amélioraient la solubilité des NDI, elles ne suffisaient pas à garantir une durée de vie opérationnelle acceptable. « Nous savions que la clé résidait dans la structure moléculaire elle-même », confie Li Wen, doctorante au sein du laboratoire. « Il fallait non seulement empêcher l’attaque chimique, mais aussi contrôler les interactions entre molécules. »

Comment les chercheurs ont-ils repensé la molécule de NDI ?

La solution imaginée par l’équipe de Xi’an Jiaotong repose sur une modification audacieuse du NDI : l’introduction de groupes zwitterioniques. Un zwitterion est une molécule possédant à la fois une charge positive et une charge négative, ce qui lui confère des propriétés électrostatiques uniques. En greffant ces groupes sur le squelette du NDI, les chercheurs ont créé un nouveau composé baptisé (CBu)₂NDI.

Ce changement structural a plusieurs effets bénéfiques. D’abord, les charges opposées sur chaque molécule génèrent une répulsion électrostatique mutuelle. Cette répulsion empêche les molécules de s’agglomérer, limitant ainsi l’augmentation de la viscosité. Ensuite, elle force les molécules à s’organiser selon un empilement parallèle-décalé, avec un angle précis de 42,8° entre deux unités adjacentes et une distance d’empilement de 3,45 Å. Ce motif régulier stabilise l’ensemble du réseau moléculaire.

« Ce n’est pas seulement une question de solubilité », explique le professeur He. « L’empilement contrôlé renforce l’aromaticité du noyau de la molécule dans son état réduit, ce qui la rend plus résistante aux réactions secondaires. C’est un peu comme si la molécule devenait plus “compacte” et moins vulnérable quand elle reçoit des électrons. »

Les tests montrent que la solubilité de (CBu)₂NDI atteint 1,49 M, un chiffre élevé pour un matériau organique dans un électrolyte aqueux. Mais surtout, la structure protège les zones sensibles du NDI contre l’attaque des ions hydroxyde, empêchant la décomposition irréversible qui affectait les versions précédentes.

Quels sont les résultats de performance de cette nouvelle batterie ?

La batterie à flux conçue par l’équipe utilise (CBu)₂NDI comme anolyte et du ferrocyanure de potassium comme catholyte. Ce dernier est un matériau bien connu, stable et peu coûteux, ce qui renforce l’attractivité économique du système. Les tests ont été réalisés à une concentration élevée de 2 M en électrons, une condition cruciale pour envisager une application à grande échelle.

Le résultat le plus frappant ? Aucune perte de capacité après 220 cycles complets de charge et de décharge. « Dans ce type de technologie, perdre 10 % de capacité après 100 cycles est déjà considéré comme bon », souligne Élodie Ricard, ingénieure en stockage d’énergie au CNRS, qui n’a pas participé à l’étude. « Ici, on est face à une stabilité exceptionnelle, surtout à haute concentration. Cela change la donne. »

Un autre atout majeur réside dans le coût. Les chercheurs estiment que les matériaux électrolytiques reviennent à 5,80 euros par ampère-heure, un prix compétitif comparé aux batteries lithium-ion ou aux systèmes à vanadium. « Pour des installations de stockage industriel, comme celles qui doivent absorber la production solaire ou éolienne, le coût au kilowattheure est déterminant », précise Malik Benkirane, consultant en énergies renouvelables. « Si cette technologie peut maintenir ses performances sur des milliers de cycles, elle deviendra incontournable. »

Quel rôle jouent les ions potassium dans la stabilité du système ?

Les calculs d’énergie ponctuelle réalisés par l’équipe ont révélé un phénomène subtil mais crucial : les ions potassium (K⁺) présents dans l’électrolyte interagissent fortement avec les charges négatives des zwitterions de (CBu)₂NDI. Cette attraction électrostatique stabilise la conformation de la molécule en solution, renforçant encore davantage sa résistance à la dégradation.

« C’est un bel exemple de synergie entre chimie moléculaire et électrochimie », commente Claire Nguyen, chercheuse à l’Institut de Chimie Moléculaire de Paris. « Les ions ne sont pas là par hasard : ils participent activement à la stabilisation du système. On passe d’un électrolyte passif à un électrolyte intelligent, où chaque composant a un rôle structurant. »

Cette interaction spécifique avec les ions potassium ouvre aussi des perspectives de personnalisation. En ajustant la nature des cations (sodium, lithium, ammonium), il pourrait être possible d’optimiser encore davantage la performance selon les conditions d’utilisation — température, concentration, durée de cycle.

Quelles sont les perspectives pour la commercialisation de cette technologie ?

Bien que les résultats soient impressionnants, les chercheurs restent prudents. « Deux cent vingt cycles, c’est bien, mais pour une batterie de stockage industriel, il faut viser des dizaines de milliers », reconnaît Gang He. « La prochaine étape est de tester la durée de vie à long terme, notamment sous des conditions réalistes de température et de courant variable. »

Le défi principal sera désormais de maintenir cette stabilité sur des périodes prolongées, tout en conservant la haute concentration nécessaire pour une densité énergétique compétitive. Les batteries à flux organiques doivent aussi faire face à des obstacles techniques liés à la circulation des fluides, à la séparation des compartiments et à l’efficacité des membranes.

Pourtant, l’industrie montre un intérêt croissant. Une start-up basée à Singapour, FlowSynth, a récemment annoncé une collaboration avec des laboratoires asiatiques pour explorer des applications des AORFB dans les micro-réseaux urbains. « Ce type de batterie pourrait alimenter un quartier entier pendant la nuit, en puisant dans l’énergie solaire stockée le jour », imagine son fondateur, Arjun Patel. « Et avec un coût aussi bas, c’est économiquement viable même dans les pays en développement. »

Peut-on envisager un impact mondial sur le stockage d’énergie ?

Le potentiel de cette innovation dépasse largement le laboratoire. Dans un monde où les énergies renouvelables doivent être stockées à grande échelle, les AORFB pourraient devenir un pilier des infrastructures énergétiques futures. Leur composition à base d’eau, de carbone et de potassium les rend accessibles, sûres et recyclables — un triptyque rare dans le domaine du stockage.

« On ne parle pas d’un gadget, mais d’un changement de paradigme », affirme Élodie Ricard. « Si on arrive à produire ces molécules à grande échelle, avec une synthèse simple et peu polluante, on pourrait voir des centrales de stockage au NDI dans les dix prochaines années. »

Le professeur He et son équipe travaillent déjà sur la prochaine génération de dérivés, en explorant d’autres architectures zwitterioniques. « Notre objectif n’est pas seulement d’améliorer la performance, mais de concevoir des matériaux qui soient faciles à fabriquer, même dans des pays avec des capacités industrielles limitées », explique-t-il. « L’énergie propre doit être pour tous. »

A retenir

Quelle est l’innovation principale de cette batterie ?

L’équipe de Gang He a modifié le naphtalène diimide (NDI) en y intégrant des groupes zwitterioniques, créant un nouveau matériau, (CBu)₂NDI, qui résiste à la dégradation chimique et à l’agrégation moléculaire grâce à un empilement contrôlé et une répulsion électrostatique.

Quelle est la durée de vie observée de cette batterie ?

La batterie n’a montré aucune dégradation de capacité après 220 cycles de charge-décharge, un résultat remarquable pour une batterie redox organique aqueuse à haute concentration.

Quel est le coût estimé des matériaux électrolytiques ?

Le coût est estimé à 5,80 euros par ampère-heure, ce qui la rend compétitive par rapport aux technologies existantes, notamment pour des applications de stockage à grande échelle.

Quel est le rôle des ions potassium dans le système ?

Les ions potassium stabilisent la structure du (CBu)₂NDI par attraction électrostatique avec les charges négatives des zwitterions, renforçant ainsi la stabilité du matériau en solution.

Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?

Cette batterie pourrait être utilisée pour le stockage d’énergie renouvelable à grande échelle, notamment dans les centrales solaires ou éoliennes, les micro-réseaux urbains, ou encore dans des zones isolées nécessitant une autonomie énergétique durable et économique.