L’émergence de matériaux issus de la biomasse constitue aujourd’hui une des réponses aux enjeux environnementaux à l’échelle mondiale. Des équipes de recherche, aussi bien en Europe qu’au Québec, s’intéressent à leur utilité dans de nouvelles technologies, comme le stockage d’énergie. La démocratisation de ces matériaux provenant de ressources naturelles, renouvelables et à faible empreinte carbone pourrait jouer un rôle clé dans la transition énergétique.
L’inspiration des êtres vivants au cours des dernières années a donné lieu à l’utilisation des ressources naturelles dans diverses nouvelles technologies, comme en témoigne l’émergence des matériaux biosourcés. Étant souvent relégués au rang de curiosité écologique, ces matériaux pourraient pourtant changer la façon dont l’énergie est stockée. Des dérivés de fibres de bois en passant par les pelures de fruits, ces composés considérés comme des déchets organiques trouvent aujourd’hui leur place au sein des batteries * qui permettent d’emmagasiner l’énergie électrique. La compréhension fondamentale du comportement de ces matériaux dans les systèmes de stockage constitue ainsi un enjeu majeur pour les chercheuses et chercheurs qui s’intéressent à l’optimisation des performances des batteries, à leur stabilité et à leur adaptabilité aux technologies de demain.
Les matériaux biosourcés
Issus de la biomasse végétale ou animale, les matériaux biosourcés se classent en plusieurs grandes familles qui incluent non seulement le bois et les céréales (blé, maïs, etc.), mais aussi les pertes, telles que les déchets alimentaires ou agricoles. La décomposition de ces ressources permet d’identifier différentes familles de composés chimiques, par exemple la lignine et la cellulose émanant du bois, l’amidon issu des récoltes ou encore le limonène * provenant des pelures d’oranges, lesquelles sont considérées comme des déchets alimentaires [i]. La valorisation de ces matériaux (ou la revalorisation, pour les déchets) passe tout d’abord par la compréhension de leur structure afin de l’adapter aux applications ciblées. Ainsi, une partie de la recherche s’intéresse fondamentalement à l’analyse de la composition de ces matériaux et à leur comportement dans différents milieux et/ou face à diverses méthodes de fabrication. Leur emploi devient de plus en plus courant dans les domaines de la construction et de la chimie du bâtiment. Par exemple, à l’Université technologique d’Eindhoven, aux Pays-Bas, un pont pédestre reliant deux rives au sein du campus a été installé en 2016. Ce pont a été construit à partir de fibres biosourcées, comme le chanvre, et d’un polymère nommé « acide polylactique » provenant de ressources renouvelables [ii].
Le principal défi associé à l’utilisation des matériaux biosourcés réside dans la complexité de leur structure interne. Contrairement aux matériaux synthétiques *, qui sont fabriqués de façon contrôlée et qui sont donc très uniformes, les matériaux biosourcés proviennent de ressources naturelles. Ils peuvent dès lors présenter des différences naturelles d’un échantillon à l’autre, appelées « variabilité intrinsèque ». Cette variabilité rend difficile l’analyse précise de leur composition chimique et, par conséquent, la prédiction de leur comportement lors de leur utilisation. En somme, leur caractère naturel, bien qu’écologiquement avantageux, représente un défi scientifique et technique en raison de l’absence de contrôle total sur leur structure.
Le stockage d’énergie
L’intégration de polymères biosourcés dans les nouvelles technologies reste un défi à l’échelle mondiale pour répondre aux enjeux environnementaux. Au Canada, les objectifs sont clairs : d’ici 2050, le pays devra atteindre la carboneutralité * [iii]. Des programmes ont donc été instaurés dans chacune des provinces afin de rencontrer cette cible. Au Québec, la transition énergétique, présente depuis plusieurs années déjà, met l’accent sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre, majoritairement attribuées à la production et au transport [iv]. Chacune à leur échelle, ces différents volets de la transition énergétique touchent le domaine du stockage d’énergie, c’est-à-dire l’ensemble des technologies permettant de conserver l’énergie produite à un moment donné pour la restituer ensuite, selon les besoins. D’abord, le volet relatif à la production d’énergie pousse la société à s’orienter vers l’utilisation d’énergies renouvelables, qui sont néanmoins intermittentes. En effet, la plupart des énergies renouvelables ne produisent pas d’énergie électrique en tout temps, car elles dépendent de conditions naturelles variables. Par exemple, le solaire photovoltaïque produit de l’énergie uniquement pendant le jour. La production intermittente d’énergie implique donc l’emploi d’un système de stockage d’énergie stationnaire dans lequel le dispositif utilisé reste fixe. Ce système permet d’entreposer une grande quantité d’énergie générée par les ressources renouvelables et de la délivrer seulement au moment de la consommation. Au Québec, les technologies d’hydroélectricité utilisées par Hydro-Québec sont majoritairement pilotables, c’est-à-dire non intermittentes. Grâce à l’utilisation des barrages-réservoirs, Hydro-Québec peut stocker l’eau sur une longue période et ainsi produire l’énergie selon la demande de la population. Cependant, l’intégration de systèmes de stockage d’énergie stationnaires reste pertinente pour le Québec, puisqu’elle permettrait d’entreposer les pertes résiduelles d’électricité issues de ces technologies, soient les surplus d’électricité non utilisés. D’un autre côté, le volet relatif au transport a permis l’essor de la voiture électrique, qui requiert l’utilisation d’une batterie pour fournir l’énergie électrique nécessaire à son usage [v].
Le domaine du stockage d’énergie regroupe une grande variété de technologies s’adaptant aux différents besoins de la société. L’une des applications les plus médiatisées et connues est celle des batteries lithium-ion. Néanmoins, la terminologie liée aux piles et aux batteries est susceptible de prêter à confusion et doit donc être définie en bonne et due forme. En effet, l’usage de ces termes varie selon les contextes et les régions, ce qui donne lieu à des abus de langage. D’après la Vitrine linguistique, de l’Office québécois de la langue française, le mot batterie est souvent utilisé pour désigner une pile, notamment lorsqu’elle est rechargeable. Or, une distinction doit être faite : une pile rechargeable reste une pile individuelle, tandis qu’une batterie désigne un ensemble d’au moins deux piles électrochimiques rechargeables assemblées [vi].
La réalité derrière les batteries
La technologie lithium-ion, retrouvée dans la majorité des cellulaires, des ordinateurs portables et des véhicules électriques, a révolutionné le domaine des batteries grâce à sa grande densité d’énergie électrique, à sa longue durée de vie et à sa faible autodécharge [vii]. En revanche, plusieurs enjeux relatifs à la production des batteries lithium-ion, à leur sécurité et à l’utilisation d’éléments critiques * pour leur fabrication, de même que des questionnements sur leur fin de vie demeurent au cœur des réflexions des équipes de recherche. À l’heure actuelle, l’impact environnemental des batteries, encore loin des ambitions de réduction des émissions de gaz à effet de serre, reste important en raison de l’utilisation de matières premières souvent fossiles et d’un recyclage encore polluant [viii] En effet, le coût environnemental actuel de production d’une batterie lithium-ion est estimé entre 59 à 115 kg de CO2/kWh-1 pour une batterie fabriquée à partir de LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2, un matériau employé à l’échelle commerciale dans la fabrication des véhicules électriques qui permet les réactions d’oxydoréduction * observées à la borne positive d’une batterie. À titre de comparaison, une voiture thermique qui utilise l’essence ou le diesel comme carburant émet environ cette quantité de CO2lors d’un trajet de 250 à 500 km.
Afin de répondre aux enjeux environnementaux des batteries lithium-ion, le monde de la recherche scientifique souhaite identifier des solutions pour en améliorer la compréhension et trouver des modèles alternatifs à cette technologie.Plusieurs pistes de recherche sont aujourd’hui explorées pour repenser l’ensemble du cycle de vie des batteries, depuis leur fabrication jusqu’à leur fin d’usage. Certaines études visent à réduire l’impact environnemental des procédés d’extraction des minéraux stratégiques, qui constituent la principale source de matières premières pour les composants des batteries [ix]. D’autres travaux portent sur la formulation des électrodes et cherchent notamment à remplacer les polymères fluorés * traditionnellement utilisés [x]. Bien que ces polymères, appelés « liants », ne représentent qu’une faible proportion de la masse totale de la batterie (environ 1 à 5 %), leur rôle est crucial : ils assurent la cohésion mécanique de l’électrode, qui constitue le siège des réactions de stockage et de décharge de l’énergie électrique lors des cycles de charge et de décharge. Enfin, diverses initiatives visent à offrir une seconde vie aux batteries usagées, par exemple en cherchant à les réutiliser pour le stockage stationnaire d’énergie renouvelable, comme dans le système Powerwall développé par Tesla [xi], ou encore à les installer dans un autre véhicule, comme le fait la compagnie Ingenext, à Trois-Rivières [xii]. Après cette deuxième vie vient le recyclage, un domaine en pleine expansion. En utilisant des procédés d’hydrométallurgie *, 95 % des minéraux critiques des batteries peuvent être récupérés tout en réduisant non seulement la production de gaz à effet de serre par un facteur de trois, mais aussi en diminuant par plus de dix fois la consommation d’eau et par près de dix fois la production polluante d’oxyde d’azote [xiii]. Ces stratégies de réutilisation et de récupération ont des répercussions significatives sur le coût environnemental d’une batterie à l’heure actuelle. Au-delà du procédé de fabrication, d’autres recherches se spécialisent dans la découverte et l’utilisation de nouveaux matériaux pour fabriquer, dès le départ, une batterie avec une meilleure empreinte écologique. C’est dans ce contexte que la recherche s’oriente vers des matériaux abondants issus de la biomasse afin de s’affranchir de procédés souvent coûteux sur les plans énergétique et environnemental.
Les batteries biosourcées
Bien que les matériaux biosourcés demeurent à ce jour peu utilisés en raison de leur variabilité intrinsèque, leur emploi montre de nombreux avantages, notamment un impact environnemental réduit, une grande disponibilité et un potentiel innovant. La filière batterie *, directement associée au concept de transition énergétique, se doit de répondre aux enjeux liés à la durabilité de ses systèmes. L’intégration de matériaux biosourcés dans les batteries constitue donc une voie intéressante, mais peu explorée par les scientifiques en raison du manque de connaissances concernant l’arrangement structurel des molécules biosourcées dans les matériaux conventionnels de la batterie.
À l’échelle internationale, l’utilisation de matériaux biosourcés a été marquée par le développement, en janvier 2025, d’une pile fabriquée à base de champignons par l’équipe de recherche de l’EMPA, le laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche, en Suisse [xiv]. Plus précisément, le système de stockage d’énergie développé est une pile à combustible * microbienne qui utilise le métabolisme * des micro-organismes pour libérer et emmagasiner de l’énergie électrique. L’équipe de recherche a pu mettre au point cette technologie en trouvant un équilibre entre le maintien en vie des cellules fongiques et la compatibilité avec les matériaux synthétiques de la batterie, qui doivent être des conducteurs électroniques biodégradables. Cette pile, alimentée par les cellules vivantes, est loin de concurrencer les performances et la densité d’énergie produite par des technologies comme les batteries lithium-ion. Elle est cependant suffisamment performante pour alimenter pendant quelques jours de petits appareils, par exemple un capteur de température employé dans des domaines tels que l’agriculture.
Les matériaux biosourcés se retrouvent aussi dans la technologie de batteries lithium-ion via l’intégration de polymères biosourcés, qui sont de grandes molécules dérivées de la biomasse. Une tendance observée dans la littérature scientifique actuelle est de modifier le liant utilisé conventionnellement dans les batteries par un liant biosourcé. Plusieurs exemples ont déjà été mis en lumière, comme l’utilisation de cellulose en tant que polymère liant par l’équipe de Mickaël Dollé, professeur agrégé au Département de chimie de l’Université de Montréal [xv]. Lui et son équipe se sont intéressés à l’utilisation de cellulose biosourcée dérivée de fibres de bois pour servir de liant dans une batterie contenant un électrolyte aqueux *. Plus récemment, d’autres polymères ont été explorés pour cette application, tels que la chitosane, dérivée d’une substance naturelle appelée « chitine » retrouvée en abondance dans la carapace des crustacés [xvi].
Enfin, ces matériaux biosourcés peuvent également être utilisés en tant que matière active dans la batterie. Le rôle du composé issu de la biomasse consiste ainsi à fournir ou à accepter un électron, ce qui permet la génération d’électricité. Le matériau biosourcé devient alors le personnage principal dans l’histoire du processus de charge et de décharge de la batterie. L’équipe du chercheur Christopher J. Bettinger, de l’Université Carnegie Mellon, à Pittsburgh, s’est intéressée à la réactivité d’un dérivé de la mélanine comme matière active pour l’électrode négative de la batterie [xvii]. La mélanine est une grande classe de pigments retrouvés dans différents organismes, notamment chez l’être humain. Elle est impliquée dans les mécanismes de bronzage et est responsable de la coloration de la peau, des cheveux et des yeux. Ce sont des groupements chimiques spécifiques au sein de la molécule dérivée de la mélanine, l’eumélanine, qui réagissent en tant que site actif à l’échange d’électron, permettant ainsi de générer l’électricité.
Vers un futur biosourcé
Ces différents exemples mettent en lumière la place des matériaux biosourcés dans le domaine du stockage de l’énergie. Ces avancées scientifiques, faites en laboratoire de recherche, permettent d’envisager un futur avec des batteries ayant un moindre impact environnemental et de se tourner vers une nouvelle façon de percevoir la production et l’utilisation des batteries. Néanmoins, ces études constituent des preuves de concept. Plusieurs années de travail de recherche, en collaboration avec d’autres spécialistes, par exemple des ingénieurs, seront nécessaires pour obtenir un produit fini fonctionnel et accessible à toutes et à tous. Faire la distinction entre la nécessité d’un stockage d’énergie performant et les différentes technologies utilisables pour répondre à des demandes spécifiques sera également important lors de ces avancées. La pile aux champignons, mentionnée précédemment, ne serait pas viable pour alimenter en électricité un véhicule électrique. Elle répond toutefois à des besoins précis dans les milieux de l’agriculture et de la recherche en sciences biologiques. En résumé, une solution unique n’existe pas. Chaque technologie de stockage a ses avantages et ses limites. L’enjeu sera donc d’utiliser la technologie la mieux adaptée à chaque application.
Lexique
Batterie : assemblage de plusieurs piles électrochimiques rechargeables (des dispositifs de stockage d’énergie électrique sous forme chimique) capable de fournir de l’électricité lorsque cela est nécessaire, grâce à une réaction électrochimique.
Carboneutralité : objectif qualifiant une économie n’émettant pas de gaz à effet de serre ou qui compense ses émissions, par exemple par des mesures comme la plantation d’arbres ou l’utilisation de technologies capables de capter le carbone avant qu’il soit rejeté dans l’air.
Électrolyte aqueux : solution à base d’eau dans laquelle se retrouve un sel solubilisé. La dissociation du sel entraîne la conduction d’un courant grâce à la présence d’ions mobiles. L’électrolyte est un des composants principaux de la batterie : il permet la libre circulation des ions entre les électrodes afin d’assurer la circulation équilibrée des électrons dans le circuit externe.
Éléments critiques : éléments chimiques considérés comme essentiels à une technologie, mais qui présentent des risques d’approvisionnement en raison de leur rareté.
Filière batterie : ensemble des activités industrielles, technologiques et logistiques liées à la conception, à la production, à l’utilisation, à la collecte, au recyclage et à la réutilisation des batteries, notamment dans le contexte de la transition énergétique.
Hydrométallurgie : procédé de traitement des métaux par voie liquide qui inclut les étapes principales de lixiviation, de purification et de récupération. La lixiviation réfère à l’extraction des constituants solubles (p. ex., des minéraux, des métaux ou des composés organiques) d’un matériau solide, à l’aide d’un solvant, souvent de l’eau ou une solution acide ou alcaline. Le solvant dissout les substances ciblées, qui sont ensuite récupérées dans la solution.
Limonène : hydrocarbure présent dans de nombreuses huiles essentielles.
Matériaux synthétiques : matériaux fabriqués par les êtres humains à partir de substances chimiques.
Métabolisme : ensemble des réactions chimiques se produisant dans les cellules des organismes vivants pour maintenir la vie.
Pile à combustible : dispositif électrochimique qui produit sans combustion de l’électricité à partir d’un carburant et d’un oxydant.
Polymères fluorés : macromolécules (grandes molécules) avec des motifs de répétition contenant de multiples liaisons covalentes carbone-fluor fortes.
Réactions d’oxydoréduction : réactions chimiques impliquant un transfert d’électrons entre deux espèces chimiques.
Références
[i] Clark, J. H. et Deswarte, F. (2015). Introduction to chemicals from biomass (2e éd.). Wiley.
[ii] Blok, R., Smits, J., Gkaidatzis, R. et Teuffel, P. (2019). Bio-based composite footbridge: Design, production and in situ monitoring. Structural Engineering International, 29(3), 453-465. https://doi.org/10.1080/10168664.2019.1608137
[iii] Loi canadienne sur la responsabilité en matière de carboneutralité. L.C. 2021, ch. 22. https://laws.justice.gc.ca/fra/lois/c-19.3/
[iv] Gouvernement du Québec. (2024, 19 juin). Cause des changements climatiques. https://www.quebec.ca/gouvernement/politiques-orientations/plan-economie-verte/actions-lutter-contre-changements-climatiques/comprendre-changements-climatiques/cause
[v] Hydro-Québec. (s. d.). Production d’électricité. https://www.hydroquebec.com/production/#:~:text=Nos%20installations,barrages%20et%2091%20ouvrages%20r%C3%A9gulateurs
[vi] Vitrine linguistique. (2020). Pile rechargeable. Office québécois de la langue française. https://vitrinelinguistique.oqlf.gouv.qc.ca/fiche-gdt/fiche/26500060/pile-rechargeable
[vii] The Nobel Prize Organisation. (s. d.). Popular information: The Nobel Prize in chemistry 2019. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/popular-information/
[viii] Peiseler, L., Schenker, V., Schatzmann, K., Pfister, S., Wood, V. et Schmidt, T. (2024). Carbon footprint distributions of lithium-ion batteries and their materials. Nature Communications, 15(1), 10301. https://doi.org/10.1038/s41467-024-54634-y
[ix] Vulcan Energy. (s. d.). Page d’accueil. https://v-er.eu/fr/
[x] Lahiru Sandaruwan, R. D., Kuramoto, R., Wang, B., Ma, S. et Wang, H. (2022). White latex: Appealing “green” alternative for PVdF in electrode manufacturing for sustainable Li-ion batteries. Langmuir, 38(29), 8934-8942.https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c01115
[xi] Tesla. (s. d.). Powerwall. https://www.tesla.com/fr_ca/powerwall
[xii] Ingenext. (s. d.). Page d’accueil. https://ingenext.ca/
[xiii] Machala, M. L., Chen, X., Bunke, S. P., Forbes, G., Yegizbay, A., de Chalendar, J. A., Azevedo, I. L., Benson, S. et Tarpeh, W. A. (2023). Life cycle comparison of industrial-scale lithium-ion battery recycling and mining supply chains. Nature Communications, 16(1), 988. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2023-qwmb2-v4
[xiv] Ettlin, A. (2025, 9 janvier). Electric fungi: The biobattery that needs to be fed. Empa. https://www.empa.ch/web/s604/fungal-biobattery
[xv] Profili, J., Rousselot, S., Tomassi, E., Briqueleur, E., Aymé-Perrot, D., Stafford, L. et Dollé, M. (2020). Toward more sustainable rechargeable aqueous batteries using plasma-treated cellulose-based Li-ion electrodes. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(12), 4728-4733. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07125
[xvi] Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada. (s. d.). Le chitosane : une percée dans le domaine des bioplastiques. https://www.nserc-crsng.gc.ca/ResearchStory-HistoireRecherche_fra.asp?ID=1631
[xvii] Kim, Y. J., Wu, W., Chun, S.-E., Whitacre, J. F. et Bettinger, C. J. (2013). Biologically derived melanin electrodes in aqueous sodium-ion energy storage devices. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(52), 20912-20917. https://doi.org/10.1073/pnas.1314345110
