Graphène bon marché et écologique à partir de coques de cacahuètes : une méthode australienne exploite les 55 000 000 de tonnes de ce « fruit sec ».

Le graphène, un matériau composé d’une seule couche d’atomes de carbone disposés en structure hexagonale, est devenu l’un des principaux sujets de recherche pour l’industrie des véhicules électriques.

Depuis son isolement pour la première fois, sa combinaison de légèreté, de résistance mécanique et de conductivité électrique et thermique exceptionnelles a suscité l’intérêt des fabricants et des fournisseurs.

Graphène et voitures électriques

Dans le domaine de la mobilité électrique, son application la plus prometteuse concerne les batteries, où il peut servir d’additif dans les anodes et les cathodes afin d’améliorer la densité énergétique, d’accélérer les temps de charge et de réduire la dégradation. On étudie également son intégration dans des supercondensateurs hybrides, dans le but d’offrir des délivrances de puissance plus rapides, ce qui est particulièrement important dans les environnements urbains et pour les véhicules soumis à des cycles intensifs de démarrage et d’arrêt.

En dehors du stockage d’énergie, le graphène commence à trouver sa place dans d’autres composants essentiels des véhicules électriques. Sa haute conductivité thermique permet de concevoir des systèmes de gestion thermique plus efficaces, indispensables pour maintenir la batterie dans des plages de température optimales et prolonger sa durée de vie. De plus, sa résistance et son faible poids en font un candidat idéal pour des renforts structurels dans les carrosseries et les châssis, contribuant ainsi à réduire la masse sans compromettre la sécurité, un facteur crucial pour augmenter l’autonomie.

Il est obtenu principalement par exfoliation du graphite, mécanique ou chimique, en séparant les couches jusqu’à isoler des feuilles d’un atome d’épaisseur, méthode popularisée en 2004 par des chercheurs de l’Université de Manchester. À l’échelle industrielle, il est également produit par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), en faisant croître une couche de carbone sur des substrats métalliques tels que le cuivre ou le nickel à haute température.

Désormais, l’Université de Sydney (UNSW Sydney) a présenté une méthode pour transformer des déchets agricoles, plus précisément les coques de cacahuètes, en graphène à une seule couche, un matériau réputé pour sa résistance extrême et sa haute conductivité.

Cette recherche, menée par l’équipe du professeur Guan Yeoh, étudie comment un déchet abondant et peu exploité peut devenir une matière première pour des batteries, de l’électronique flexible et des dispositifs de stockage d’énergie.

Ce travail part d’une observation simple : les coquilles de cacahuète contiennent de la lignine, un polymère végétal à fort contenu en carbone. En exploitant cette composition, les chercheurs broient les coquilles et les soumettent à un traitement thermique en deux phases afin d’obtenir un matériau carboné pouvant servir de précurseur au graphène.

La première étape consiste à chauffer les coquilles à environ 500 °C pendant cinq minutes, ce qui élimine les impuretés et produit du charbon riche en carbone. La deuxième phase utilise une technique appelée « flash joule heating », dans laquelle un choc électrique élève la température du précurseur à près de 3.000 °C en l’espace de quelques millisecondes ; ce choc thermique réorganise les atomes de carbone pour former des couches individuelles de graphène.

Contrairement à de nombreux processus industriels, la méthode décrite évite l’utilisation de produits chimiques tels que le noir de carbone et réduit le nombre d’étapes ainsi que l’énergie nécessaires pour obtenir du graphène de haute qualité. Selon les auteurs, toute la procédure peut être achevée en environ dix minutes, ce qui la rend compétitive par rapport à des alternatives plus gourmandes en temps et en ressources.

Les responsables de l’étude soulignent que le graphène obtenu remplit les conditions de base qui en font un matériau attrayant pour les applications technologiques : une seule couche atomique avec des imperfections minimales, une haute conductivité électrique et thermique, ainsi qu’un rapport résistance/poids très favorable. Les auteurs rappellent que le graphène est « des centaines de fois plus résistant que l’acier ». Ces propriétés en font un candidat idéal pour améliorer les électrodes des batteries, les composants des capteurs et les écrans tactiles flexibles.

L’équipe a testé le protocole avec des coques de cacahuète en tant que cas d’étude en raison de leur disponibilité mondiale : on estime que la production annuelle des cultures de cacahuètes atteint environ 55 millions de tonnes, et la majeure partie des coques finit dans des applications à faible valeur ajoutée ou est éliminée. Utiliser cette quantité comme matière première pourrait transformer un déchet en une ressource économiquement intéressante et ayant une empreinte environnementale moindre que les méthodes conventionnelles basées sur des dérivés du pétrole.

Les chercheurs soulignent en outre que la clé du succès réside dans l’« ingénierie du précurseur » : le prélavage thermique des déchets permet d’éliminer prioritairement les contaminants et d’optimiser la structure du charbon, de sorte que le pulse à haute température génère des couches continues de graphène présentant peu de défauts. Selon l’équipe, cette optimisation du précurseur est la condition nécessaire pour garantir les propriétés électriques et mécaniques du matériau final.

Bien que les expériences actuelles aient produit de petites quantités (il s’agit d’essais en laboratoire), les auteurs sont optimistes quant à leur possibilité de mise à l’échelle. Ils indiquent qu’avec des développements supplémentaires, ce processus pourrait être mis en production commerciale dans un délai estimé entre trois et quatre ans. De plus, ils pensent que d’autres sources riches en lignine, comme les résidus de café ou les peaux de banane, pourraient être adaptées à la même approche, ouvrant la voie à un large éventail de biomasses pouvant être transformées en graphène.

Cette recherche a été présentée dans un communiqué du centre et est résumée dans un article publié dans la revue Chemical Engineering Journal Advances. Pour toute question concernant ce communiqué de presse, veuillez contacter Neil Martin, responsable du contenu au sein du centre.

Le bilan économique et énergétique figure parmi les constats les plus importants : les calculs de l’équipe indiquent que l’énergie nécessaire pour produire un kilogramme de graphène par cette méthode représente un coût d’environ 1,30 dollar américain. Ce chiffre, associé au temps réduit du processus (environ dix minutes) et à l’absence de réactifs chimiques, constitue la base du raisonnement permettant de considérer cette technique comme viable du point de vue industriel et environnemental.