Article paru
dans CEA Techno(s) n° 93

Nanotechnologies

Un gisement d'économies pour les matières premières

La consommation des matières premières explose dans le monde. Alors que des économies s'imposent, en particulier dans le domaine des énergies fossiles dont les réserves sont limitées et à l'impact environnemental désastreux, les “nanos“ ouvrent des horizons multiples et industriellement viables.

Les risques climatiques liés à l'augmentation de l'effet de serre sont tels que des mesures impératives de réduction de l'usage des combustibles fossiles s'imposent. Dans les pays développés, il faudra diviser les émissions par quatre d'ici à 2050. Ce qui implique de réduire la consommation de combustibles fossiles - pétrole et gaz ? ou de les remplacer dès que cela est possible. Grâce à ses recherches sur les nanotechnologies et les nanomatériaux, le CEA est en mesure d'offrir des solutions innovantes, industriellement viables, applicables dans les domaines du bâtiment, des transports et de l'environnement.

Transports : zéro hydrocarbure !

Ainsi, des membranes de filtration composées de tapis de nanotubes de carbone seront un jour utilisées pour dessaler l'eau de mer. Mais l'une des applications les plus attendues est le remplacement des hydrocarbures dans les transports. A cet égard, une solution à l'étude consiste à rendre acceptables les performances des véhicules électriques, ce qui nécessite d'améliorer le rendement des batteries utilisées pour stocker l'énergie. Aujourd'hui, les meilleures batteries disponibles présentent une autonomie de 200 kilomètres, pour un temps de recharge de 10 à 12 heures. Or, il est tout à fait possible d'améliorer leurs capacités de stockage d'un facteur 10 en remplaçant le graphite, utilisé comme matériau d'électrode négative, par du silicium. “Ce dernier est en effet capable d'absorber 10 fois plus d'ions Li que le graphite, indique Hélène Burlet, directrice scientifique du Liten. Cependant, l'insertion et la désinsertion des ions Li au cours des cycles de charge et de décharge de la batterie fait subir au silicium des variations volumiques très importantes, de l'ordre de 300%, augmentant fortement les risques de fissuration.” Pour pallier ce problème, les chercheurs du Liten envisagent d'utiliser le silicium sous forme de nanofils. L'espace vide créé par cette nanostructuration du matériau laisserait au lithium la possibilité de s'enrouler autour des fils, et ainsi d'absorber les variations de volume du silicium sans que la matrice n'en subisse les conséquences.
Une technologie mature utilisant des électrodes nanostructurées permet déjà un gain en puissance disponible grâce à la réduction des distances de diffusion et de transferts des ions et des électrons. Cette technologie a été développée en mettant en œuvre l'approche Nanosafe de mise en sécurité des procédés.

70% de platine en moins

Pour remplacer le moteur à explosion, les piles à combustible basses températures (PAC) sont également des candidates prometteuses. Mais elles ne sont pas attendues avant 2020 en raison de leur coût élevé, en grande partie dû aux quantités de platine nécessaires à leur fonctionnement. Ce métal qui catalyse la réaction de l'hydrogène avec l'oxygène produisant l'électricité est en effet plus cher que l'or. En outre, les réserves mondiales ne suffiraient pas à équiper le seul parc automobile français. Actuellement, un véhicule hybride doté d'une PAC de 20kW nécessite près de 20 grammes de platine : “Il faudrait réduire d'un facteur 10 la quantité de métal précieux nécessaire pour arriver à des quantités équivalentes à celles que l'on trouve par exemple dans les pots catalytiques. Il convient pour cela de rendre chaque atome de platine utilisable.” A l'heure actuelle, les industriels utilisent des encres constituées de carbone recouvert de nano-particules de platine de 2 à 3 nanomètres. Cette encre est ensuite déposée par MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) à l'anode et à la cathode sur une très faible profondeur, exactement là où le métal est nécessaire. A la clé : la réduction d'un facteur trois de la quantité de métal nécessaire.
Pour aller plus loin, les technologues envisagent de créer des nanostructures bimétalliques en ajoutant d'autres métaux moins chers, comme le cobalt ou le nickel, au platine. Les métaux seraient soit mélangés de manière homogène, soit arrangés selon une structure cœur-coquille, avec une couche de platine sur un cœur de cobalt ou de nickel. A terme, c'est toute l'architecture des électrodes que le Liten repense à l'échelle nanométrique à base de nanotubes, nanofils et autres nanostructures.

Economie d'énergie à la source

En parallèle, le CEA travaille sur le développement de catalyseurs bio inspirés ne nécessitant pas de métaux nobles. Mais il s'agit là de recherches fondamentales qui verront leur déploiement à plus long terme...
En attendant de se passer totalement des hydrocarbures, il est également possible de réduire leur consommation dans les moteurs thermiques classiques grâce aux nanotechnologies. “On pourrait réduire de 10 à 12 % la consommation totale de carburant, rien qu'en récupérant la chaleur du pot d'échappement sous forme de courant électrique”, poursuit Hélène Burlet.
La thermoélectricité est la conversion réversible d'un gradient de température en courant électrique dans des matériaux spéciaux : les thermoéléments. Dans ce cas, l'utilisation de super réseaux et de nanopoudres a permis de tripler le rendement de conversion des matériaux, qui n'évoluait plus depuis 40 ans : “En général, la conductivité thermique et la conductivité électronique d'un matériau évoluent dans le même sens. Difficile, donc, de réduire la conductivité thermique d'un matériau, ce qui permettrait d'augmenter la probabilité d'apparition d'un courant, sans diminuer du même coup sa capacité de conduction électrique. Ici, la nanostructuration des matériaux a permis de découpler ces deux effets physiques par des effets de confinement quantique.” Les chercheurs planchent sur un générateur thermoélectrique récupérant la chaleur sur le pot d'échappement des véhicules afin d'alimenter le tableau de bord, voire de supprimer l'alternateur.

Bâtiment : le solaire à l'épreuve

Le secteur du bâtiment est le second consommateur d'énergies fossiles. Si le solaire est une alternative intéressante, le rendement des cellules solaires en silicium plafonne aujourd'hui autour de 15 à 17 % selon la technologie, ce qui est peu. Ces cellules dites à homojonctions silicium ne convertissent en effet en électricité que la partie de l'énergie du spectre solaire correspondant à la largeur de la bande silicium : les photons trop énergétiques sont convertis en chaleur, ceux à trop faible énergie ne sont pas absorbés. Pour pallier cet inconvénient, le CEA travaille sur des cellules multijonctions constituées de plusieurs matériaux présentant différentes largeurs de bandes. Cette combinaison augmente le rendement de conversion par une meilleure utilisation du spectre solaire. “Des matériaux à largeur de bande ajustable sont obtenus en jouant sur leur nanostructuration, et plus particulièrement sur la taille des nanocristaux qui les constituent, explique Hélène Burlet. Ainsi, des cellules composées d'empilements de jonctions à largeur de bandes différentes devraient permettre d'atteindre des rendements de conversion de 20 %.” Une autre approche à l'étude consiste à remplacer le silicium massif par des nanofils de silicium pour bénéficier du confinement quantique lié à la morphologie des nanofils.

Le potentiel infini de l'infiniment petit

Les chercheurs doivent en outre maîtriser les propriétés des nanomatériaux et des nanodispositifs qu'ils développent. Pour ce faire, une plateforme de simulation a été mise en place au sein du CEA, regroupant les moyens et les compétences en simulation à l'échelle atomistique de plusieurs de ses instituts (l'Inac, le Liten, le Léti et l'Iramis). Mission : la simulation prédictive des propriétés de structure et de transports des nanomatériaux grâce à une description des mécanismes physiques mis en jeu. En particulier, les chercheurs affinent les outils permettant de prédire des nouveaux effets liés aux dimensions nanométriques.
En parallèle, afin de contrôler sur produits finis et à des échelles de plus en plus réduites les propriétés de ces nano-objets, les moyens de caractérisation du CEA ont été réunis sur un même site : la plateforme Nanocarac, installée à Minatec (Grenoble). Cette plateforme propose une grande diversité de microscopes permettant d'étudier les propriétés morphologiques, électriques, cristallines, chimiques et même magnétiques des composants à l'échelle nanométrique. “Aucune technique ne serait autosuffisante, insiste Hélène Burlet. Seule l'utilisation de l'ensemble des microscopes de la plateforme permet d'obtenir les informations nécessaires.”