Graphène, on vous dit tout sur ce matériau magique

Le graphène, cela ne vous dit rien ? Et pour cause, ce nouveau matériau même s’il est connu depuis plusieurs années est loin d’avoir encore envahi notre environnement. Pourtant, cela pourrait être le cas dans l’avenir, car le graphène…c’est magique. On vous dit pourquoi.  

par Emmanuel Armanet 24 Jan 2019 10:00

Le graphène, qu’est-ce que c’est ?

Le graphène est un matériau qui peut être perçu comme une forme du graphite et donc du carbone qui se distingue par son organisation cristalline. OK, si comme nous vos cours de physique/chimie du collège remontent très très loin… ô vieillesse ennemie, simplifions les choses en disant qu’il s’agit du matériau à la base de la mine des crayons.

Le graphite est l’assemblage de plusieurs couches de graphène, une couche de graphène n’étant pas plus épaisse qu’un atome. Ce matériau a toutes les qualités du monde. Certains l’annoncent comme étant entre 100 et 300 fois plus solide que l’acier tout en demeurant très léger et flexible (200 fois plus résistant que l’acier à la traction par exemple), ou encore 10 fois plus dur que le diamant. Le graphène est par ailleurs un matériau affichant une conductivité thermique exceptionnelle, 10 fois supérieure à celle du cuivre par exemple. Même chose pour sa conductivité électrique.

Le graphène, une histoire compliquée

Dans un monde où tout semble aller plus vite que la veille, le graphène semble bien incongru. En effet, il suffit de se pencher sur son histoire pour s’en convaincre. Le physicien canadien Philip R. Wallace a théorisé l’existence et les qualités du graphène dès 1947. Mais il a fallu attendre 2004 pour que le matériau soit synthétisé par Andre Geim du département de physique de l’université de Manchester, à l’issue de travaux l’ayant conduit avec son collègue Konstantin Novoselov à l’obtention du prix Nobel de physique en 2010.

Les deux chercheurs sont parvenus à obtenir du graphène par une méthode d’exfoliation, c’est-à-dire par une extraction mécanique depuis du graphite. Mais depuis d’autres chercheurs ont créé trois autres méthodes pour obtenir le fameux graphène. Il s’agit tout d’abord du graphène épitaxié qui passe par une chauffe à très haute température, 1 300 °C, de carbure de silicium. Une autre méthode s’appuie quant à elle sur l’oxydation dans un bain d’acide du graphite. Enfin, il serait aussi possible de produire du graphène à partir de la décomposition catalytique d’un gaz carboné comme du méthane sur un métal tel que du cuivre ou du nickel.

Vous l’aurez compris, si l’idée est belle, produire du graphène à grande quantité demeure très difficile et très coûteux. On estimait en 2008 que la production d’un mètre carré de ce matériau miracle coûtait… tenez-vous bien, 600 milliards d’euros. Mais depuis les techniques ne cessent d’évoluer avec à la clé de fortes hausses de productivité avec une forte baisse du prix. À l’heure où l’on évoque souvent les problématiques liées aux terres rares, le graphène présente l’énorme intérêt d’avoir pour base du carbone, inépuisable et peu onéreux.

Le graphène, le matériau du futur ?

Le graphène n’est donc pas amené, à moyen terme en tout cas, à être utilisé seul pour la construction d’un cadre de vélo ou la fabrication de panneaux de carrosserie. Il est associé à un autre matériau : du plastique, de la fibre de carbone ou du caoutchouc par exemple. Rajoutez 1% de graphène dans du plastique et vous multipliez sa résistance mécanique et thermique (de 30°). L’aviation serait un terrain particulièrement favorable à l’adoption du graphène en l’insérant dans les matériaux composites utilisés pour la fabrication des fuselages. Plus légers et résistants, ceux-ci auront également l’immense avantage de protéger les passagers de la foudre sans, comme aujourd’hui, le rajout d’un film de protection métallique.

En septembre dernier, Directa Plus a officialisé l’expérimentation sur une portion d’un kilomètre de la Strada Provinciale Ardeatina de Rome d’un enrobé contenant du graphène. Ce nouveau revêtement prend le nom d’Ecopave et afficherait une résistance à la fatigue supérieure de 250% que du goudron classique. Il résiste mieux aux déformations du substrat et aux changements brutaux de température. L’Ecopave se montre par ailleurs recyclable à 100%.

Le graphène, déjà présent dans l’industrie du cycle

Sommes-nous seulement en train d’évoquer des applications plus dignes de la prospective ou de la science-fiction que de la réalité ? Pas vraiment, car certains industriels ou artisans résolument tournés vers l’avenir proposent déjà quelques applications concrètes. Pour la construction d’un cadre de vélo, il est possible d’insérer du graphène sur les couches de fibre de carbone pour les renforcer tout en réduisant l’épaisseur de la résine qui maintient les fibres. Au bout du compte, on obtient un cadre encore plus léger qui conserve cependant une certaine flexibilité pour un confort maximal.

Cette nouvelle génération de fibres de carbone renforcées au graphène a été utilisée pour la première fois en 2016 par le fabricant britannique de vélo très haut de gamme Dassi. Cette première application concerne un cadre de vélo de route qui pèse 750 g (pour plus de 4 000 euros), mais Dassi annonce qu’il serait possible de diviser par deux ce poids une fois certaines techniques de fabrication maîtrisées. En effet, le cadre actuel n’utilise que 1% de graphène dans sa fibre de carbone ce qui suffit pour faire baisser le poids du cadre Interceptor de 30% par rapport à son homologue composé uniquement en carbone. En augmentant progressivement ce pourcentage, il devrait être possible d’obtenir un cadre pesant à peine 350 g… Les essais devraient être nombreux pour trouver le bon compromis, car un cadre 100 % en graphène serait non seulement vendu à un prix astronomique, mais encore et surtout serait trop dur, risquant de casser comme de la céramique.

Pour une fois, la quête du poids le plus léger ne rime pas avec fragilité puisque Dassi annonce une résistance à la casse multipliée par deux ! Dans le même temps, une meilleure filtration des vibrations améliorerait le confort global du vélo.

Par ailleurs, le groupe italien Vittoria associé à Directa Plus est également particulièrement à la pointe dans l’utilisation du graphène dans le secteur du cyclisme. Les roues très haut de gamme de la marque s’offrent ainsi leur toute petite dose du matériau. L’idée est ici d’offrir une meilleure rigidité latérale et donc des progrès en matière de rendement. Ces roues sont aussi plus solides et résistent mieux aux contraintes très élevées subies au niveau du point d’ancrage des rayons. Le graphène amène aussi une meilleure gestion des températures élevées par la fibre de carbone, un élément important à l’heure où le freinage à disques se généralise. Bien entendu, le poids des roues baisse également.

Et ce n’est pas tout. Vittoria propose depuis 2015 des pneus VTT dont les crampons sont fabriqués dans une gomme enrichie en graphène. L’idée est ici d’accroître leur résistance à l’usure, mais aussi de contrôler le comportement et la déformation des crampons lors des freinages et des phases d’appui.

Nous retrouvons Ditecta Plus dont l’expertise a été retenue par Oakley et Bioracer pour développer une gamme de textile destinée aux équipes cyclistes professionnelles dans un premier temps tout du moins. Vous l’aurez deviné, du graphène est greffé aux fibres textiles afin d’en améliorer la capacité de dissipation de la chaleur du corps. Le coureur dépensera ainsi moins d’énergie pour réguler sa température corporelle. Le graphène réduit par ailleurs les frictions avec l’air et l’eau pour améliorer encore les performances du cycliste.

Le graphène, l’Espagne à la pointe

La société espagnole Graphenano nanotechnoloies est, comme son nom l’indique, spécialisée dans le développement de l’utilisation du graphène dans tous les domaines. Pour appuyer ses recherches expérimentales, l’entreprise a conçu le premier bateau dont la coque utilise des matériaux composites : de la fibre de verre laminée en l’occurrence, intégrant du graphène. Ce bateau de 9 mètres de long est une réalité qui fonctionne parfaitement. Son poids est de 20% inférieur à celui d’un modèle classique tout en étant nettement plus solide. Une réduction de la masse à animer a des conséquences directes sur la consommation en carburant du bateau. Logique. De plus, le graphène présente d’excellentes propriétés hydrofuges et améliorerait ici la « glisse » de la coque. Cerise sur le gâteau, le procédé de fabrication est moins polluant que pour une coque traditionnelle avec des dégagements réduits de VOC (composants organiques volatils).

Nous connaissons tous l’amour des Espagnols pour les sports mécaniques et plus particulièrement la moto. L’entreprise annonce travailler avec plusieurs partenaires pour la fabrication de carénages de moto intégrant là aussi une petite dose de graphène. L’idée est ici d’améliorer la résistance de cet élément particulièrement exposé. Le carénage aurait la capacité à retrouver sa forme initiale après un choc. Le poids est bien entendu aussi réduit. Au regard de leur coût prohibitif, les carénages contenant du graphène devraient certainement arriver dans un premier sur des motos de course.

Et ce n’est pas fini. Graphenano nanotechnoloies développe aussi des bouches d’égout réalisées à partir de pneus recyclés enrichis de graphène. La firme espagnole met en avant les avantages suivant : une plus grande résistance (40 tonnes) et l’absence de corrosion.

Batteries solides : Une nouvelle ère pour la mobilité électrique

Le graphène, des applications dans le domaine énergétique

On l’a dit, la conductivité électrique du graphène est sans égale et son intégration dans les électrodes des batteries pourrait rapidement en améliorer le rendement. Samsung veut aller encore plus loin avec le développement d’une nouvelle génération de batteries lithium ion qui stocke l’énergie dans des billes de graphène. L’Advanced Institue of Technology du géant coréen serait ainsi parvenu à créer une batterie capable, à volume égal, de stocker 45% d’énergie en plus et de se recharger 5 fois plus rapidement que les technologies actuelles. En théorie, une charge complète ne prendrait ainsi que 12 minutes.

Dans l’industrie automobile, certaines sources évoquent la possibilité de faire dépasser le millier de kilomètres d’autonomie aux voitures électriques avec des temps de charge d’une quinzaine de minutes. Cette nouvelle génération de batterie limiterait drastiquement les risques d’incendie en cas de surchauffe  (Samsung annonce une stabilité parfaite à des températures supérieures à 60°), et elle n’aurait plus d’effet mémoire.

Alors c’est pour quand ? Pour l’automobile, il faudra encore être patient… mais peut-être moins dans le secteur des vélos à assistance électrique. En effet, nous retrouvons une fois de plus l’incontournable entreprise espagnole Graphenano nanotechnologie au travers de sa branche énergie (Grabat Graphenano Energy). Elle est en effet capable de produire dès à présent des batteries utilisant des cellules en polymère de graphène qui sont capables d’atteindre une densité énergétique trois fois plus élevée que des cellules lithium ion classiques. Cette batterie est plus légère, plus sûre (résistance à la chaleur et à la pression), et plus souple en matière d’intégration afin de laisser parler l’imagination des équipes de designers.

Grabat Graphenano Energy a finalisé le processus de production d’une première génération de batteries aux caractéristiques homologuées par l’institut allemand TÜV. Cette batterie au graphène affiche une capacité de 1 000 Wh pour un poids de 1 kg, et une seconde génération de 2000 Wh pour 2 kg est d’ores et déjà en cours de développement. Des caractéristiques parfaites pour les VAE. À titre de comparaison, la batterie Bosch PowerPack 500 Wh pèse 2,6 kg… Il serait ainsi possible, théoriquement, de gagner plus de 1,5 kg sur un VAE tout en doublant son autonomie. Le rêve non ?

Débuts de la première chaîne de production de batteries à électrolyte solide en Chine

Autre voie suivie par certains industriels, celle de la création de super-condensateurs basés sur du graphène. L’idée est ici de stocker une quantité d’énergie plus faible que des batteries traditionnelles, mais une énergie emmagasinée très rapidement, en quelques secondes. L’application la plus souvent évoquée est celle de nouveaux modèles de transport urbains de surface. Des bus mus par des moteurs électriques alimentés par ces super-condensateurs pourraient se recharger sans fil à chaque arrêt pour laisser monter et descendre les passagers.

Le graphène, des applications dans le domaine électronique

Le graphène affiche une connectivité électrique si élevée que sa maîtrise réclame beaucoup de temps et de recherches fondamentales. Mais ce matériau pourrait à terme remplacer le silicium pour créer une toute nouvelle génération de transistors aux performances sans commune mesure avec ce qui existe aujourd’hui.

Décidément le graphène est partout. Il entre aussi dans la fabrication d’écrans transparents et flexibles comme nos confrères de tom’s hardware l’annonçaient dès 2014 dans cet article.

Enfin, pour en découvrir encore davantage sur ce fabuleux matériau qui devrait profondément changer notre futur, un conseil, regardez jusqu’au bout cette conférence TEDx donnée par Laëticia Marty le 9 mai 2016.

 


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  • Neikster, 26/01/2019 - 13:58

    Trés gros mué.

    Aujourd'hui les constructeurs automobile investissent massivement dans les batteries lithium-ion à éléctrolyte solide. Pas dans le graphéne. Et y'a sans doute une raison à cela si le graphéne attire aussi peu d'investisseur de grand nom.

    Et je ne veux pas paraître parano mais cette entreprise (Graphenano) ne m'inspire vraiment pas confiance.

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    • Murcie, 18/02/2019 - 15:11

      @Neikster - "Trés gros ..."
      ---
      Vous avez tort car elle a déjà de nombreux produits sur le marché.

  • Gégé, 26/01/2019 - 09:10

    A Johan : "on restera vigilant etc"
    Vous représentez qui ? Ensuite le lithium et le cobalt sont bien polluant mais le graphène en aucun cas.
    par contre les procédés de fabrication peut être ?
    En tous cas avec le graphène on supprime les pollutions minières et celles du recyclage. C'est surement plus de 70% de la pollution.
    Ce graphène semble très très prometteur mais alors que l'article commence en disant qu'il est difficile à produire, son utilisation dans des produits tels que les vélo, les pneus et les plaques d'égouts tendraient à prouver le contraire.
    Il y a surement plusieurs qualités de graphène et c'est seulement celui en couche d'un atome qui semble dur à produire.

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    • Emmanuel Armanet, 26/01/2019 - 10:31

      Bonjour, merci pour votre lecture. En effet, c'est la production de gros volume qui est pour l'heure difficile, c'est la même chose pour toutes les nouvelles technologies d'ailleurs. Cela rend le matériau très cher. Dans les pneus la quantité réelle de graphène est infime et concentrée dans les seuls crampons. Les cadres et roues de vélo concernent des produits très haut de gamme dont rares, donc chers... Cordialement

  • Johan, 25/01/2019 - 18:51

    Le graphène dans les batteries, mieux que le lithium, d'accord, je suis partant.. Mais pour combien de cycles de charge ? Parce que le lithium dépasse assez peu les 300 cycles, ce qui est assez minable, surtout quand on se souvient que les anciennes NiMH sont "vendues" pour autour de 800 (donc avant l' "effet mémoire" lié à la technologie à base de nickel) et les vieilles NiCD autour de 1500, avec un "effet mémoire" connu dès les environs de 1000.

    Mais on restera vigilent quand aux méthodes de fabrication du graphène et des éléments et équipements qui en contiennent et les potentielles pollutions induites. Idem pour le recyclage. Pour tout ça, on a un excellent modèle à ne pas reproduire : les batteries avec du lithium (et du cobalt ; on l'oublie toujours celui-là).

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    • Thomas, 26/01/2019 - 14:28

      @Johan - "Le graphèn..."
      ---
      surement autour des 10000 voir plus, ou peut-être même infinie (pas d'effet de mémoire..)

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