Les eaux usées urbaines génèrent, après épuration, un sous-produit inconfortable : des boues à forte teneur organique. En Espagne, on estime que plus d’un million de tonnes sèches de ces boues sont produites chaque année, un déchet qui pose un défi environnemental et logistique.
Des chercheurs de l’Institut Chimique de l’Énergie et de l’Environnement (IQUEMA) de l’Université de Cordoue ont proposé une solution originale : convertir ces boues en matière première pour les batteries au soufre, offrant à la fois une sortie circulaire pour un déchet difficile à gérer et une alternative plus durable aux batteries au lithium conventionnelles.
Des toilettes domestiques alimentées par batterie à la voiture électrique
L’étude a été publiée dans Science directe et une partie d’une matière première spécifique : les boues de la station d’épuration de Villaviciosa (Córdoba), exploitée par EMPROACSA. Grâce à l’utilisation d’un procédé biologique appelé biodisques, les boues acquièrent une composition particulière, avec la présence d’azote, de phosphore et de traces métalliques, qui favorise leur comportement électrochimique une fois transformée.
Cette spécificité a encouragé l’équipe, composée de Almudena Benítez, Azahara Cardoso, Mª Carmen Gutiérrez, Juan Luis Gómez, Mª Ángeles Martín et Álvaro Caballero, pour explorer son potentiel en tant que charbon actif pour les cathodes de batteries à base de soufre.
La procédure expérimentale est simple dans son approche mais nécessite une précision technique. La boue est séchée et pulvérisée, puis traitée chimiquement avec de la potasse (KOH) pour augmenter sa porosité. Il est ensuite soumis à une pyrolyse, chauffage contrôlé en l’absence d’oxygène, dans des fours à environ 800 °C, qui transforme la matière organique en carbone à structure conductrice.
Ce carbone est mélangé dans un broyeur à boulets avec du soufre, qui est « emprisonné » dans la matrice poreuse et constitue la matière active de la cathode. Le résultat, selon les chercheurs, est une matrice conductrice capable de supporter des charges élevées de soufre et de faciliter l’insertion/extraction d’ions pendant la charge et la décharge.
Batteries lithium-soufre
La chimie lithium-soufre (Li-S) promet des densités énergétiques plus élevées que les batteries lithium-ion et utilise du soufre, un sous-produit abondant et bon marché, au lieu de métaux critiques tels que le cobalt ou le nickel.
Les chercheurs d’IQUEMA soulignent que, sur le papier, cette technologie peut multiplier par trois la capacité d’une batterie lithium-ion conventionnelle, ce qui, dans un véhicule électrique, se traduit par plus d’autonomie ou des packs plus légers pour la même autonomie : précisément deux conditions clés pour l’acceptation massive de la technologie.
Pour le stockage sur réseau (centrales solaires/éoliennes, micro-réseaux), le coût et la durabilité priment. Là-bas, l’utilisation de boues et de soufre recyclés serait très compétitive par rapport aux technologies actuelles (par exemple les batteries à flux), sans dépendre des métaux extraits.
Un autre avantage clé est la recyclabilité : en l’absence de métaux toxiques, la récupération en fin de vie peut être plus facile. En résumé, nous recherchons une batterie durable : haute densité avec des matériaux recyclés.
IQUEMA travaille depuis longtemps sur l’utilisation des déchets comme sources de carbone : auparavant, ils exploraient des sous-produits agroalimentaires comme les noyaux d’olives, les coques d’amandes ou de pistaches et même les restes d’avocat, mais ces matériaux ont généralement déjà d’autres utilisations industrielles (énergie, compostage).
D’autre part, les boues d’épuration représentent un déchet moins valorisé et, par conséquent, une opportunité évidente pour l’économie circulaire dans les communes petites et moyennes qui génèrent ces flux et ont besoin de solutions de gestion.
Le projet ne propose pas seulement une voie de recyclage ; Il ouvre également une feuille de route technologique. En convertissant les déchets en matériaux recyclés pour le stockage d’énergie, l’empreinte environnementale associée à l’extraction des matières premières est réduite et, potentiellement, le coût par kWh des packs. De plus, les batteries Li-S présentent des avantages dans la gestion de fin de vie : leur composition moins dépendante des métaux critiques facilite les processus de recyclage et de valorisation.
Il reste des défis à résoudre. Le plus grand défi des batteries Li-S était la dégradation due au cyclage. La stabilité à long terme, le maintien de la capacité après des centaines de cycles et le transfert du laboratoire à l’échelle industrielle sont des étapes nécessaires avant de voir ces cellules dans une voiture.
Grâce au carbone nanostructuré, le prototype Córdoba a atteint des performances exceptionnelles : plus de 1 200 mAh/g au départ (~4× un Li-ion typique) et encore ~350 mAh/g après 800 cycles à grande vitesse. Ces valeurs indiquent une efficacité de cycle très élevée (coulombienne proche de 100%) et promettent une bonne stabilité à long terme. En comparaison, le Li-ion commercial oscille généralement autour de 250 à 300 mAh/g par unité de masse active.
La comparaison, en chiffres, avec les batteries au lithium et l’avenir du soufre
- Densité énergétique : Li-S ≈550 Wh/kg contre ~60-270 Wh/kg en Li-ion.
- Cycles de vie : Le Li-ion dépasse généralement 1 000 cycles ; les Li-S traditionnels étaient de 300 à 500 (IQUEMA a atteint 800).
- Matériels: Le Li-S utilise du soufre (abondant et bon marché) au lieu du cobalt/nickel.
- Impact environnemental : Produire 1 kWh de Li-ion génère ~73 kg de CO₂. tandis que les boues Li-S recyclent un déchet, évitant ainsi ces émissions.
- Recyclage: plus facile en Li-S grâce à sa composition simple, facilitant la séparation des matériaux car il ne contient pas de métaux critiques.
D’autres technologies « vertes » (Li-ferrophosphate, Na-ion) privilégient la sécurité et les faibles coûts au détriment de la densité. Le Li-S à base de boues tente d’allier haute capacité et durabilité.
Ce projet est un exemple d’économie circulaire : les déchets problématiques deviennent une « ressource stratégique » pour la transition énergétique. Selon les chercheurs, il apporte un « double bénéfice environnemental » : il évite les émissions liées au traitement des boues et récupère de l’énergie sans extraire de métaux toxiques. Les coûts finaux estimés pourraient être inférieurs de moitié à ce qu’ils sont aujourd’hui.
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