Les batteries au plomb ou lithium-ion ne couvrent pas tous les besoins de stockage d'énergie. Les supercondensateurs, plus faciles à maintenir et moins coûteux à l'usage, fournissent des solutions complémentaires de stockage sur de courtes durées. Moyennant une forte amélioration de la quantité d'électricité stockée, ces surpercondensateurs à haute densité d'énergie pourraient avantageusement remplacer les batteries, d'où leur appellation « batterie au carbone ultra rapides ». Nawacap vise à mettre au point cette nouvelle génération de batteries au carbone ultra-rapide, capable de stocker cinq fois plus d'électricité que dans un élément de supercondensateur classique de même volume et de même poids et autant qu'une batterie plomb. Les premiers dispositifs réalisés ont permis de démontrer une capacité de recharge en quelques secondes et l'énergie stockée peut être utilisée en un temps très bref. La durée de vie classique de ce type de dispositif peut atteindre le million de cycles de charge et décharge.
Nawacap exploite le procédé de synthèse de tapis de nanotubes de carbone alignés développé au CEA Iramis. C'est un des axes forts de recherche du laboratoire commun Nawalab, qui associe la start-up Nawatechnologies, portée par Pascal Boulanger, le CEA et les Universités de Tours et de Cergy-Pontoise. L'intégration des nanotubes de carbone dans les matériaux permet d'améliorer leurs performances mécaniques, électriques, thermiques, optiques par rapport à des matériaux classiques ou des matériaux chargés avec des nanotubes dispersés. La maîtrise de l'orientation des nanotubes au sein du matériau final permet d'en maitriser l'anisotropie et de lui conférer des fonctions multiples. Elle ouvre aussi la voie à des ruptures technologiques non seulement sur les dispositifs de stockage d'électricité mais aussi en nanofluidique et en filtration.
Pour produire le matériau nanostructuré innovant de ces batteries, la technologie Nawacap peut mettre en œuvre du carbone de sources renouvelables dans des équipements et des procédés similaires à ceux mise en œuvre dans la filière des cellules photovoltaïques.
Le potentiel industriel des supercondensateurs
Pour le stockage de l’électricité, les supercondensateurs sont encore peu utilisés car ils ne permettent pas de stocker de grandes quantités d’électricité. Pourtant, par rapport aux batteries, ils présentent des durées de vie bien plus importantes (plusieurs millions de cycles) et des temps de charge bien plus courts (quelques secondes seulement). S’ils sont plus coûteux à l’achat qu’une batterie au lithium par exemple, ils sont plus économiques en exploitation du fait de leur longue durée de vie. Ils peuvent être utilisés seuls, pour bénéficier à plein de temps de recharge très court, ou combinés à des batteries conventionnelles, pour améliorer leur réponse aux sollicitations rapides en courant et allonger leur durée de vie. Ils trouvent leur place dans les secteurs du transport public urbain (recharges flash dans les stations ou en récupération de l’énergie de freinage). Dans les infrastructures sensibles comme des hôpitaux, ils peuvent sécuriser l’alimentation électrique en cas de défaillance du réseau. Cette technologie pourrait également favoriser l’intégration des sources d’énergies intermittentes sur le réseau électrique, en lissant leur production sur des temps de l'ordre de quelques dizaines de minutes. Son potentiel prometteur laisse envisager aussi, à plus long terme, des applications nomades (téléphones portables, tablettes, objets connectés).
Le laboratoire commun, Nawalab, réunit la start-up, le CEA et les Universités de Tours et Cergy-Pontoise depuis 2014. Créée en 2013, Nawatechnologies prévoit un début de commercialisation de ses cellules de batteries au carbone ultra rapides en 2016. Pour le projet Nawacap, le CEA a reçu le premier prix de l'innovation EARTO (European Association of Research and Technology) dans la catégorie « Impact espéré ». Le CEA est ainsi récompensé pour la qualité de ses actions de transfert technologique, sur des sujets d'importance sociétale majeure.
Mise en place dans le pilote CEA de la tranche (wafer) de silicium, support de croissance des nanotubes alignés, sur le pilote de fabrication de tapis de nanotubes au laboratoire commun Nawalab, associant la start-up Nawatechnologies, le CEA et les Universités de Tours et de Cergy-Pontoise. Crédit : F.Rhodes/CEA