Des matériaux de meilleure qualité et moins chers
Batteries puissantes, semi-conducteurs lumineux, détecteurs sensibles : le chimiste Maksym Kovalenko planche sur des matériaux à la fois plus performants et moins chers que ceux utilisés aujourd'hui.
Fer, sodium, magnésium et soufre : à partir de ces quatre éléments chimiques simples, Maksym Kovalenko, professeur assistant en matériaux fonctionnels inorganiques à l'ETH Zurich, veut construire une batterie performante avec ses collaborateurs de l'Empa à Dübendorf.
L'objectif des chercheurs est de surmonter un dilemme fondamental dans le stockage de l'électricité avec des batteries. Les batteries au lithium prometteuses, utilisées par exemple dans les voitures électriques, sont certes performantes, mais ne conviennent que de manière limitée aux grandes installations stationnaires. En effet, cet élément léger n'est disponible qu'en quantités limitées. C'est pourquoi il ne sera guère possible de construire des installations de stockage électrique à grande échelle avec cet élément.
Kovalenko pense à des installations de batteries 1000 fois plus grandes que les accumulateurs des voitures électriques. "Pour de telles installations, nous avons besoin de matériaux peu co?teux, disponibles en quantités suffisantes", est convaincu cet Ukrainien d'origine. Si l'on s'oriente vers ce cahier des charges strict, on se limite évidemment beaucoup en tant que chercheur. Car en fin de compte, seuls quelques éléments de l'ensemble du tableau périodique entrent en ligne de compte comme candidats potentiels.
La pyrite, un facteur clé
Malgré cette limitation rigoureuse, Kovalenko peut se targuer d'un premier succès. Le prototype de pile qu'il a développé se compose d'une anode en magnésium et d'une cathode en sulfure de fer cristallin, également appelé pyrite ou (populairement) or de chat. Les chercheurs utilisent une solution d'ions de magnésium et de sodium comme électrolyte. La batterie d'essai en laboratoire a résisté à 40 cycles de charge et de décharge sans perte notable de performance - un résultat prometteur pour la suite du développement.
Il faudra toutefois attendre encore un certain temps avant de voir une application pratique. "Nous n'en sommes vraiment qu'au début de la recherche", explique le chimiste. "Si l'on considère qu'il a fallu 30 ans pour développer les batteries au lithium jusqu'à leurs performances actuelles, il est clair qu'il faudra encore quelques années avant que des batteries sans lithium comme les n?tres ne soient disponibles sur le marché".
Avec la technologie des batteries, Kovalenko travaille sur un sujet qui attire l'attention du public. "Mais en réalité, celle-ci ne représente qu'une petite partie de mon travail, même s'il s'agit d'un domaine important", explique-t-il. Les nouveaux matériaux semi-conducteurs constituent un autre point fort de ses recherches à l'ETH. Son objectif est de développer des matériaux qui sont soit meilleurs, soit moins chers que les composés actuels - ou même, dans l'idéal, les deux à la fois. Il espère ainsi que les nouveaux matériaux donneront de nouvelles impulsions dans différents domaines, par exemple dans l'environnement et la géomatique, mais aussi dans la fabrication d'écrans ou de lampes LED.
La couleur claire comme avantage
Kovalenko place de grands espoirs dans les halogénures. Dans ces substances, des métaux - par exemple le césium et le plomb - se combinent avec des halogènes comme le chlore, le brome ou l'iode. De tels composés ont des propriétés idéales pour les applications mentionnées. Ils sont par exemple capables de convertir la lumière bleue ou ultraviolette en une autre couleur. "Notre objectif est de développer des matériaux qui soient au moins aussi bons que les substances utilisées aujourd'hui par les grands fabricants d'écrans", constate Kovalenko. Ceux-ci utilisent généralement des phosphures d'indium ou des composés contenant du cadmium.
Les matériaux étudiés par le groupe de Kovalenko, qui sont fabriqués sous forme de nanoparticules en suspension, présentent deux avantages : D'une part, ils peuvent être fabriqués à un co?t très faible. D'autre part, ils sont très performants. Ils produisent des couleurs pures, de sorte que la lumière peut être convertie avec une grande efficacité. Comme il n'y a plus besoin de filtre de couleur en raison de la couleur claire, moins d'énergie est perdue lors de la conversion qu'avec les matériaux traditionnels.
Bien que le développement soit désormais si avancé que ces nouveaux composés font désormais leur entrée dans le développement de produits commerciaux, il reste encore beaucoup à faire pour Kovalenko en tant que chercheur fondamental : Comment les nanoparticules se développent-elles exactement dans la suspension ? Quelle est leur chimie de surface ? Et comment se comportent les particules lorsqu'on les intègre dans un polymère ? "Le grand défi consiste à conserver la luminosité de ces particules lorsque nous les faisons passer de la suspension à une forme solide", rapporte le chimiste.
La recherche pour la sécurité
Les semi-conducteurs aux halogénures sont également très intéressants dans un autre domaine : On pourrait en effet aussi les utiliser pour détecter les rayons gamma radioactifs. "Actuellement, il n'existe que peu de matériaux capables de mesurer ces rayons à température ambiante", explique Kovalenko. "Et le meilleur matériau est en outre relativement co?teux". Le besoin de matériaux bon marché capables d'enregistrer les rayonnements radioactifs va augmenter dans les années à venir, non seulement dans le domaine de la médecine ou de la recherche, mais aussi dans les aéroports par exemple. "Vu la menace terroriste actuelle, il serait utile de disposer d'un matériau bon marché capable d'enregistrer ces rayonnements. On pourrait ainsi équiper les agents de sécurité de tels détecteurs sur l'ensemble du territoire".
La mise en ?uvre n'est toutefois pas si simple : pour pouvoir enregistrer les photons à haute énergie du rayonnement gamma, il faut un semi-conducteur relativement épais composé d'éléments lourds. Kovalenko privilégie donc les matériaux contenant du plomb ou du césium. "Pour l'instant, nous sommes en mesure de fabriquer des nanoparticules à partir de ces matériaux. Mais pour les détecteurs souhaités, nous avons besoin de monocristaux de quelques millimètres, donc un million de fois plus grands que les nanoparticules".
Le chimiste étudie actuellement la manière de cultiver des cristaux aussi grands que possible à moindre co?t. "Nous devons étudier, pour des centaines de substances, comment les faire cro?tre le plus facilement possible et s'ils peuvent servir de détecteurs", estime-t-il. "Mais d'ici là, il faudra beaucoup de travail persévérant". Toujours est-il que l'on sait déjà qu'avec les nouveaux matériaux, il n'est plus nécessaire d'utiliser une masse fondue pure pour faire cro?tre les cristaux, mais "seulement" une solution aqueuse qui ne doit même pas être particulièrement pure.
Avec les batteries et les nouveaux matériaux semi-conducteurs, Kovalenko travaille sur deux domaines très différents qui n'ont que peu de points de contact directs. "Travailler dans ce champ de tensions est un grand défi, mais en même temps un enrichissement. Car chaque domaine thématique m'offre des aper?us très fascinants sur le fonctionnement des matériaux".