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Le soufre du pétrole servira-t-il aux batteries des voitures électriques ?

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Le soufre produit en excès par l'industrie pétrolière est désormais utilisable pour synthétiser du plastique. Cet exploit améliore par la même occasion, lorsque ce polymère est utilisé pour faire des cathodes, la durée de vie et la capacité de rétention des batteries lithium-soufre. Ainsi, les prochaines voitures électriques pourraient gagner en performances grâce à des déchets du pétrole.

Ces blocs de soufre ont été photographiés sur le site d'une raffinerie d'Alberta (États-Unis). Ils sont produits durant la purification du gaz naturel. © G_McKenna, Flickr, cc by nc 2.0

Il faut le savoir, l'essence, le gasoil et le gaz naturel ont dû subir une hydrodésulfurisation avant d'être mis en vente. Sous ce terme barbare se cache un procédé chimique qui utilise l'hydrogène pour extraire le soufre présent dans ces carburants. Pour ne citer qu'un exemple, chaque litre d'essence contient 2,7 g de cet élément avant sa purification. Les raffineries sont donc de gros producteurs de soufre élémentaire, et c'est bien là le problème. Les demandes mondiales en soufre sont actuellement nettement inférieures à l'offre. L'industrie pétrochimique se retrouve donc (du moins aux États-Unis) avec de grands stocks de déchets soufrés dont elle ne sait que faire.

Cette situation n'a pas laissé Jeffrey Pryun (université de l'Arizona, États-Unis) et ses collaborateurs indifférents, mais comment valoriser ce produit ? Ils ont eu l'idée d'en faire un plastique thermoformable directement productible à une échelle industrielle, avec les défis que cela implique. Il est en effet difficile de synthétiser de longues chaînes moléculaires, c'est-à-dire des polymères, avec du soufre. De plus, de nombreuses autres molécules se dissolvent très difficilement dans cet élément lorsqu'il est mis en solution, mais cela n'a pas découragé les chercheurs.

L'équipe a identifié 20 molécules pouvant former des chaînes avec du soufre, mais seule l'une d'entre elles, un monomère vinylique, a permis d'obtenir le résultat escompté grâce à un nouveau procédé chimique imaginé pour l'occasion. Il a reçu le nom de « vulcanisation inversée », en référence à la vulcanisation classique où du soufre est ajouté à du caoutchouc pour le rendre durable. Cette avancée brevetée vient d'être présentée dans la revue Nature Chemistry. L'article dévoile également une autre information importante : les propriétés électrochimiques du nouveau polymère amélioreraient les performances des batteries Li-S. 

Le plastique présenté à gauche de l'image a été synthétisé à partir de soufre (tas jaune à droite). Il serait peu coûteux à produire car cette matière première ne manque pas dans les raffineries. © Jared Griebel, Pyun lab, University of Arizona

Des batteries Li-S plus performantes dans le temps

Les batteries lithium-soufre (Li-S) semblent de plus en plus promises à un bel avenir dans le monde de l'automobile. Elles sont plus efficaces, plus légères et moins chères à produire que les accumulateurs lithium-ion qui équipent actuellement la plupart des voitures électriques, mais elles ont aussi un inconvénient de taille. Leur durée de vie, c'est-à-dire le nombre de charges et de décharges qu'elles peuvent supporter, est relativement courte. Or, à quoi bon faire des batteries moins coûteuses s'il faut les changer plus souvent ?

C'est ici que le nouveau plastique intervient puisqu'il peut être utilisé comme cathode dans une batterie Li-S, en lieu et place des électrodes en soufre élémentaire. Or, ce changement augmente considérablement la durée de vie des accumulateurs. Pour preuve, la capacité de décharge de la nouvelle batterie Li-S passe seulement de 1.100 mAh/g (milliampère-heure par gramme) au tout début, à 823 mAh/g au bout du centième cycle de recharge. Par ailleurs, aucun souci notable de performance n'a été observé après plus de 200 charges et décharges.

Voici donc un programme de valorisation de déchets qui semble prometteur. Plusieurs entreprises seraient, selon l'un des auteurs, déjà entrées en contact avec les chercheurs pour développer les installations industrielles requises pour produire à grande échelle le nouveau plastique et les batteries l'intégrant. Les déchets du pétrole pourraient donc améliorer le devenir des prochaines voitures électriques...