Graphène : la révolution est-elle (enfin) pour demain ?

Début septembre, un revendeur Amazon chinois nous contactait pour nous proposer de tester deux produits assez peu réjouissants et plutôt what the f*ck : un masque de sommeil chauffant et un oreiller de voyage gonflable, lui aussi chauffant, en... graphène. Amusés de cette étrange sollicitation, nous avons décidé de creuser un peu le sujet et de faire le tour des applications « tant attendues » autour du graphène, particulièrement dans le domaine énergétique. Petit point technologique !

Le graphène est un matériau bidimensionnel, c'est-à-dire constitué d'une unique couche d'atome. L'empilement de ces couches donne le graphite, l'une des formes naturelles de carbone. Synthétisé en 2004 à l'Université de Manchester (il aura valu à ses « découvreurs » le prix Nobel de physique en 2010), il a longtemps été considéré comme une anomalie physique, un matériau 2D étant supposé instable.


Le graphène a des propriétés hors du commun :

• Doté du même principe de construction que le carbone, dont l'une des formes naturelles est le diamant, il est extrêmement solide. À partir du graphène, des chercheurs du MIT ont ainsi réussi à créer un assemblage 3D dix fois plus solide que l'acier, mais aussi léger que du plastique.
• Composé d'une seule couche d'atome, il est aussi extrêmement léger. Cette propriété offre notamment des perspectives intéressantes dans le domaine de l'aéronautique, où le poids des éléments embarqués a une incidence directe sur la consommation d'énergie.
• C'est un excellent conducteur thermique, avec une vitesse de transmission 30 fois supérieure au silicium, matériau jusque-là le plus utilisé dans l'industrie électronique.
• Il est parfaitement imperméable et permet d'envisager de nouveaux usages combinés à ses propriétés conductrices dans des environnements humides.
• Il est déformable et transparent, et pourrait probablement donner lieu à une nouvelle génération d'écrans souples - bien que les premières versions d'écrans flexibles commercialisés utilisent encore le plastique - et à de nouvelles générations d'écrans transparents, exploitables notamment dans le domaine de l'automobile

Presque 15 ans après sa première synthèse, on lui trouve relativement peu d'applications dans notre vie quotidienne. Les procédés de synthèse du graphène à l'échelle industrielle ne sont pas encore suffisamment rentables ni satisfaisants, certaines mécaniques d'exfoliation détériorant trop les propriétés mécaniques du matériau pour en légitimer l'usage par rapport à d'autres matériaux déjà bien maîtrisés, comme le silicium.

En 2018, la commission européenne a d'ailleurs lancé le plus important programme de recherche jamais réalisé à l'échelle européenne, en injectant 1 milliard d'euros de budget sur les 10 prochaines années. Objectif : créer une Graphene Valley qui accompagne l'essor des usages industriels du graphène, avec à la clé une importante manne économique.

Les applications dans le domaine énergétique

Les applications du graphène sont nombreuses dans le domaine de l'énergie, profitant des propriétés conductrices du matériau.

Refroidissement

Dans un secteur qui nous touche quotidiennement, nous évoquions l'annonce du constructeur Huawei qui a introduit le premier téléphone portable équipé d'un système de refroidissement à base de graphène qui permet de conduire la chaleur dans une chambre d'évaporation avec la plus grande efficacité, et d'ainsi moins solliciter les composants pour améliorer leur durée de vie.

Huawei Mate 20 X

Batteries

La start-up Earthdas travaille quant à elle sur des batteries lithium dont les anodes contiennent du graphène et permettent d'accélérer la rapidité de charges dans des proportions énormes. On parle d'une recharge 12 fois plus rapide par rapport à une batterie lithium-ion classique et d'une charge complète en quelques minutes pour un téléphone.

L'incorporation de graphène aux batteries lithium-ion, en remplacement du silicium, est également censée allonger la durée de vie des batteries grâce à la capacité de résistance du graphène aux variations de température. Dans le cas des applications liées aux batteries lithium-ion, le graphène vient donc essentiellement en renfort des capacités d'une batterie traditionnelle pour en augmenter les performances et la longévité.

Vous pouvez d'ailleurs déjà trouver un modèle de batteries externes au graphène chez Elecjet, qui propose un modèle de 6000 mAh avec un temps de charge de 20 minutes.

Condensateurs

Les supercondensateurs (ou « supercapacitators ») font également l'objet de recherches visant à améliorer leur durée de vie et à réduire drastiquement leur temps de chargement. À la différence des batteries conventionnelles qui produisent de l'énergie grâce à une réaction chimique, les supercondensateurs stockent l'énergie sous la forme d'un champ électrostatique. Un supercondensateur classique se charge (et se décharge) beaucoup plus vite qu'une batterie, mais stocke en revanche beaucoup moins d'énergie.

NAWATECHNOLOGIES

L'utilisation du graphène pourrait permettre d'allier la rapidité de chargement des supercondos à une capacité de stockage beaucoup plus importante. La société française Nawa Technologies travaille ainsi sur des supercondensateurs constitués de nanotubes en carbone - des feuilles de graphène enroulées - qui permettront à terme une énergie plus propre (pas de composants chimiques) et plus durable, notamment dans le domaine du transport. La société réalise déjà des tests sur les voitures de course électriques du championnat Formula E pour éprouver ces produits dans des conditions extrêmes.

En 2017, Lamborghini a présenté son projet de supercar électrique réalisé en collaboration avec le MIT, Terzo Millennio, dont le graphène est un des composants clés. Denis Brogniart explique brièvement la prouesse de Lamborghini dans cette vidéo pour Automoto :

Alors, le graphène sera-t-il dans nos poches en 2019 ?

Le graphène est un matériau révolutionnaire dont les propriétés pourraient permettre de relever de futurs enjeux énergétiques. Après seulement 15 ans de recherche, des tendances concrètes se dessinent et laissent entrevoir le potentiel du matériau. Le principal défi à relever reste la production à l'échelle industrielle, encore coûteuse et lente. Nous avons donc encore un peu de temps avant que les objets que nous utilisons au quotidien exploitent massivement ce matériau.


Début 2018, des chercheurs du MIT ont mis au point un procédé de production industrielle de feuilles de graphène, dédié à l'incorporation dans des membranes ultra-fines. Ce procédé ne vise toutefois pas les applications dans le domaine énergétique, mais montre que les solutions ne sont pas loin pour permettre au graphène d'accéder au stade industriel.

Les recherches européennes dans le cadre du Graphene Flagship vont dans ce sens et exploreront de nouvelles pistes sur la décennie à venir.