Le potentiel du chanvre dans l’élaboration de stockage d’énergie et de batteries de nouvelle génération

Face à l’explosion de la demande en stockage d’énergie — véhicules électriques, énergies renouvelables intermittentes, électronique grand public — la recherche de matériaux performants, peu coûteux et peu polluants s’intensifie. Parmi les pistes explorées depuis une dizaine d’années, le chanvre industriel occupe une place originale : les fibres libériennes de la plante, transformées par carbonisation hydrothermale, produisent des nanofeuilles de carbone aux propriétés comparables à celles du graphène — mais à un millième du coût. Les publications scientifiques de référence, notamment les travaux de l’équipe du D^r David Mitlin publiés dans ACS Nano en 2013, ont mis en évidence le potentiel réel de ce matériau pour les supercondensateurs — une technologie souvent confondue avec les batteries, mais distincte et complémentaire. Cet article fait le point sur l’état des recherches, les performances obtenues, les applications envisageables et les obstacles qui séparent encore le laboratoire de l’industrialisation.

Supercondensateurs et batteries : deux technologies distinctes

Une confusion courante

Avant d’aller plus loin, une clarification importante s’impose : les médias grand public utilisent souvent les termes « batterie chanvre » et « supercondensateur chanvre » de manière interchangeable, ce qui est techniquement inexact. Les batteries (Li-ion, plomb-acide, NiMH, solid-state) stockent l’énergie par réactions électrochimiques et se déchargent lentement. Les supercondensateurs (ou ultracondensateurs) stockent l’énergie électrostatiquement à l’interface entre deux électrodes et un électrolyte ; ils se chargent et se déchargent en quelques secondes. Les recherches sur le chanvre concernent essentiellement les supercondensateurs, pas les batteries Li-ion classiques.

Caractéristiques comparées

Les supercondensateurs ne remplacent donc pas les batteries Li-ion — ils les complètent. Leur force : délivrer des pics de puissance intenses et brefs (accélération d’un véhicule, freinage régénératif, stabilisation réseau), là où les batteries peinent. Leur faiblesse : une densité énergétique 15 à 20 fois plus faible, qui les rend inadaptés au stockage longue durée.

Des nanofeuilles de carbone issues des fibres de chanvre

Les travaux fondateurs de l’équipe Mitlin (2013)

La percée scientifique majeure remonte à 2013, avec la publication par l’équipe du Pr David Mitlin (alors à l’University of Alberta, aujourd’hui à Clarkson University, New York) d’un article de référence dans la revue ACS Nano : Interconnected Carbon Nanosheets Derived from Hemp for Ultrafast Supercapacitors with High Energy. L’équipe a présenté ses résultats à la conférence de l’American Chemical Society de San Francisco en 2014, attirant une attention médiatique importante.

« Les performances électrochimiques de notre dispositif sont comparables, voire supérieures, à celles des dispositifs à base de graphène. L’avantage clé est que nos électrodes sont fabriquées à partir de déchets agricoles par un procédé simple — elles sont donc beaucoup moins chères que le graphène. »

— Pr David Mitlin, conférence ACS National Meeting, San Francisco, août 2014

Cette déclaration, faite devant la première société scientifique mondiale en chimie, résume la proposition de valeur : atteindre des performances comparables au graphène à un millième du coût, en valorisant un résidu agricole jusque-là brûlé ou mis en décharge.

Le procédé hydrothermal

Le procédé décrit par Mitlin et ses collègues est relativement simple, ce qui le rend industrialisable :

1. Étape 1 — Carbonisation hydrothermale : les fibres libériennes (écorce externe de la tige, résidu de l’industrie textile et papetière du chanvre) sont chauffées à 180 °C pendant 24 heures dans un autoclave sous pression, en présence d’eau. Cette étape dissout la lignine et l’hémicellulose, laissant une matrice carbonée issue de la cellulose cristalline.
2. Étape 2 — Activation chimique : le matériau carbonisé est traité à l’hydroxyde de potassium (KOH), puis chauffé à 700-800 °C. Le KOH crée des pores de 2 à 5 nm de diamètre et exfolie le carbone en nanofeuilles.
3. Étape 3 — Assemblage : les nanofeuilles sont utilisées comme électrodes, en combinaison avec un électrolyte liquide ionique.

Le résultat : un carbone aux caractéristiques physiques remarquables — surface spécifique jusqu’à 2 287 m²/g (équivalente aux meilleurs graphènes), mésoporosité de 58 %, conductivité électrique de 211 à 226 S/m, feuilles de 10 à 30 nm d’épaisseur.

Les performances mesurées : chiffres clés

Les mesures publiées par l’équipe Mitlin dans ACS Nano en 2013 sont impressionnantes :

• Densité énergétique du dispositif assemblé : 12 Wh/kg — soit 2 à 3 fois plus que les supercondensateurs commerciaux à carbone activé classique.
• Densité de puissance : 49 kW/kg à 60 °C — contre 17 kW/kg pour les supercondensateurs commerciaux à la même température.
• Capacitance spécifique : 106 F/g à 0 °C et densité de courant 10 A/g ; jusqu’à 144 F/g à 60 °C sous 100 A/g.
• Plage de température opérationnelle : de 0 °C à 100 °C en utilisation continue (certains tests vont jusqu’à plus de 200 °F soit 93 °C).
• Temps de charge complet : moins de 6 secondes pour le dispositif assemblé.

Ces valeurs placent le carbone dérivé du chanvre parmi les meilleurs matériaux d’électrode rapportés dans la littérature scientifique sur les supercondensateurs, tous précurseurs confondus.

L’argument économique : 1 000 fois moins cher que le graphène

Le véritable atout du chanvre tient au coût de production. Le graphène, matériau star de la nanotechnologie depuis le prix Nobel de 2010 attribué à Geim et Novoselov, coûte aujourd’hui entre 500 et 2 000 dollars par gramme pour une qualité électronique — ce qui représente un obstacle majeur à son industrialisation massive. Les nanofeuilles de carbone issues du chanvre, elles, coûtent environ 500 à 1 000 dollars par tonne, soit un rapport de 1 à 1 000 000 par unité de masse.

Cette différence colossale s’explique par trois facteurs :

• Le précurseur (fibre libérienne de chanvre) est un sous-produit agricole dont le prix est dérisoire.
• Le procédé est thermique et chimique simple, sans équipements sophistiqués comme pour le CVD (dépôt en phase vapeur) qui produit le graphène de haute qualité.
• La matière première est renouvelable et cultivable localement, contrairement au graphite minier qui alimente le graphène et dont l’extraction est concentrée en Chine avec un impact environnemental significatif.

David Mitlin a d’ailleurs fondé en 2013 une startup, Alta Supercaps, pour commercialiser la technologie — même si les résultats d’industrialisation sont restés modestes à ce jour, comme nous le verrons plus loin.

Applications envisagées

Véhicules électriques et hybrides

C’est le débouché le plus souvent cité. Les supercondensateurs au carbone de chanvre pourraient intervenir en complément des batteries Li-ion pour :

• Freinage régénératif : récupérer en quelques secondes l’énergie cinétique lors du freinage, que les batteries Li-ion ne peuvent absorber assez rapidement.
• Accélération : fournir les pics de puissance lors des démarrages et des accélérations, soulageant ainsi les batteries et prolongeant leur durée de vie.
• Démarrage à froid : performant jusqu’à 0 °C, à la différence des batteries Li-ion qui perdent en capacité à basse température.

Stockage à court terme pour le réseau électrique

Les énergies renouvelables (éolien, solaire photovoltaïque) posent un défi fondamental : leur production est intermittente. Les supercondensateurs peuvent servir à lisser les variations de courte durée (quelques secondes à quelques minutes), en attendant que les batteries ou les systèmes de stockage longue durée (STEP, hydrogène) prennent le relais. Plusieurs projets pilotes en Europe et en Chine explorent cette piste.

Électronique grand public et outillage

Perceuses électriques, outils sans fil, jouets électroniques, équipements portables : tous ces usages bénéficieraient d’une charge ultra-rapide et d’une durée de vie étendue (jusqu’à un million de cycles de charge-décharge). Là encore, le coût réduit du matériau ouvre des perspectives commerciales réalistes.

Applications militaires et médicales

La plage de température étendue (0 à 100 °C, voire au-delà) et la fiabilité dans des conditions extrêmes font du carbone de chanvre un candidat pour les équipements militaires, aérospatiaux ou médicaux (défibrillateurs, alimentations de secours).

Au-delà du chanvre : d’autres biomasses explorées

Il serait trompeur de présenter le chanvre comme la seule biomasse candidate au remplacement du graphène dans les supercondensateurs. L’équipe Mitlin elle-même a démontré que d’autres résidus agricoles produisent des carbones nanostructurés performants, chaque précurseur ayant sa propre structure optimale :

• Peaux de banane : produisent un « pseudo-graphite » dense, particulièrement adapté aux batteries sodium-ion plutôt qu’aux supercondensateurs.
• Coques de noix de coco, bagasse de canne à sucre, paille de riz, jute : tous étudiés comme précurseurs de carbone activé.
• Cellulose cristalline et nanocellulose : matériaux biosourcés polyvalents pour électrodes.

Comme le résume David Mitlin : les fibres de chanvre sont simplement « particulièrement bien adaptées aux supercondensateurs » grâce à leur structure multicouche naturelle (lignine, hémicellulose, cellulose cristalline) qui, une fois traitée, produit spontanément des nanofeuilles planes à haute surface spécifique. Mais il ne s’agit pas d’un matériau miracle unique — c’est un des nombreux candidats issus de la chimie verte des biomasses.

Pourquoi ça n’a pas encore décollé industriellement

Dix ans après les premières publications retentissantes, force est de constater que les supercondensateurs au chanvre ne sont pas encore présents en masse sur le marché. Plusieurs obstacles expliquent ce retard :

Les défis techniques résiduels

• Reproductibilité industrielle : passer d’un échantillon de laboratoire à une production standardisée de plusieurs tonnes par an nécessite de maîtriser d’importants paramètres (température, durée, activation, assemblage).
• Densité énergétique : malgré le progrès (12 Wh/kg contre 5-8 pour les supercondensateurs commerciaux), cette valeur reste très inférieure à celle des batteries Li-ion (150-250 Wh/kg). Le positionnement reste donc complémentaire, pas substitutif.
• Électrolyte : les meilleures performances obtenues utilisent des liquides ioniques, coûteux et moins stables dans certaines conditions que les électrolytes aqueux traditionnels.

Les obstacles économiques

• Investissements industriels : la construction d’usines de carbonisation à grande échelle mobilise des dizaines de millions d’euros, difficiles à lever pour un matériau encore considéré comme expérimental.
• Concurrence du carbone activé : les supercondensateurs commerciaux actuels, à environ 40 $/kg de carbone activé, ont une base industrielle bien installée.
• Lobbies du lithium et du graphène : des milliards ont été investis dans ces filières, créant une inertie technologique difficile à bousculer.

La recherche continue néanmoins

Malgré ces obstacles, la recherche sur le chanvre dans le stockage d’énergie reste active. L’équipe Mitlin, désormais à Clarkson University, a poursuivi ses travaux dans plusieurs directions, notamment sur les condensateurs Li-ion hybrides (2019) qui combinent les avantages des deux technologies. En France, plusieurs programmes de recherche sur les carbones biosourcés impliquent l’INRAE, le CEA et le CNRS, même si le chanvre reste moins exploré que d’autres biomasses comme la cellulose microbienne ou la lignine.

Le chanvre : un parmi d’autres débouchés

La transformation des fibres libériennes en matériau d’électrode n’est qu’une des applications industrielles du chanvre moderne. Pour un panorama complet des débouchés de cette plante — du textile à l’isolation en passant par la plasturgie automobile et les bioplastiques —, consultez notre article de référence sur l’utilisation du chanvre : multiples facettes et myriade d’applications. Le stockage d’énergie y occupe pour l’instant une place marginale, mais son intérêt stratégique en fait un segment à suivre de près dans les années qui viennent.

Conclusion : une promesse scientifique qui attend son industrialisation

Les recherches sur les supercondensateurs à base de carbone dérivé du chanvre ont produit des résultats scientifiques solides, publiés dans des revues de référence et confirmés par plusieurs équipes internationales. Les performances mesurées — densité de puissance, stabilité thermique, coût matière — sont réellement compétitives face aux supercondensateurs commerciaux, et potentiellement transformatrices face aux matériaux au graphène. Pour autant, dix ans après les publications fondatrices, l’industrialisation massive n’a pas eu lieu, freinée par des défis techniques, économiques et concurrentiels bien identifiés. Le chanvre n’est pas un matériau miracle qui révolutionnera à lui seul le stockage d’énergie : il est une piste parmi plusieurs dans la chimie verte des carbones, particulièrement prometteuse pour les supercondensateurs — qui sont eux-mêmes une technologie complémentaire des batteries Li-ion, pas un substitut. Pour qu’elle prenne sa place, il faudra des années supplémentaires d’investissements industriels, de progrès techniques et de convergences réglementaires. L’histoire du chanvre dans ce domaine ne fait peut-être que commencer.

FAQ — Questions fréquentes sur le chanvre et le stockage d’énergie

Quelle est la différence entre batterie et supercondensateur ?

Ces deux technologies stockent de l’énergie électrique mais selon des principes différents. Les batteries (Li-ion, plomb-acide, NiMH) stockent l’énergie par réactions électrochimiques réversibles et se chargent-déchargent en plusieurs heures avec une haute densité énergétique (150-250 Wh/kg pour le Li-ion) mais une densité de puissance modérée. Les supercondensateurs, aussi appelés ultracondensateurs, stockent l’énergie électrostatiquement à l’interface entre électrode et électrolyte ; ils se chargent-déchargent en quelques secondes avec une très haute densité de puissance (3-10 kW/kg en commercial, jusqu’à 49 kW/kg pour les modèles expérimentaux au carbone de chanvre) mais une densité énergétique très faible (5-12 Wh/kg). Ils offrent aussi une durée de vie bien supérieure : plus d’un million de cycles contre 500-2 000 pour les batteries Li-ion. Les deux technologies sont complémentaires plutôt que concurrentes : les supercondensateurs excellent pour les pics de puissance brefs (accélération, freinage régénératif, démarrage à froid), les batteries pour le stockage durable.

Qui a découvert le potentiel du chanvre pour les supercondensateurs ?

Les travaux fondateurs reviennent à l’équipe du Pr David Mitlin, alors chercheur à l’University of Alberta au Canada (aujourd’hui à Clarkson University dans l’État de New York). Son équipe a publié en juin 2013 dans la prestigieuse revue ACS Nano l’article Interconnected Carbon Nanosheets Derived from Hemp for Ultrafast Supercapacitors with High Energy (DOI 10.1021/nn400731g). Les résultats ont ensuite été présentés à la conférence nationale de l’American Chemical Society à San Francisco en août 2014, avec un retentissement médiatique important. David Mitlin a également fondé en 2013 une startup, Alta Supercaps, pour tenter de commercialiser cette technologie. D’autres équipes internationales ont depuis confirmé et étendu ces résultats, travaillant sur diverses biomasses (peaux de banane, coques de coco, bagasse, paille de riz, jute) selon une logique similaire : transformer des déchets agricoles en nanomatériaux de carbone à haute valeur ajoutée.

Comment fabrique-t-on des nanofeuilles de carbone à partir du chanvre ?

Le procédé développé par l’équipe Mitlin se déroule en trois étapes. La première est une carbonisation hydrothermale : les fibres libériennes du chanvre (partie externe de la tige, souvent considérées comme un résidu par l’industrie textile et papetière) sont chauffées à 180 °C pendant 24 heures dans un autoclave sous pression, en présence d’eau. Cette étape dissout la lignine et l’hémicellulose pour ne laisser qu’une matrice carbonée issue de la cellulose cristalline. La deuxième étape est une activation chimique : le matériau carbonisé est traité à l’hydroxyde de potassium (KOH) puis chauffé à 700-800 °C, ce qui crée des pores de 2 à 5 nanomètres de diamètre et exfolie le carbone en nanofeuilles. La troisième étape est l’assemblage des nanofeuilles comme électrodes avec un électrolyte liquide ionique. Le résultat : un carbone avec jusqu’à 2 287 m²/g de surface spécifique, 58 % de mésoporosité, et des feuilles de 10 à 30 nm d’épaisseur — propriétés comparables aux meilleurs graphènes commerciaux.

Le carbone de chanvre remplacera-t-il le graphène ?

Pas entièrement. Comme le reconnaît David Mitlin lui-même, le chanvre ne peut pas faire tout ce que fait le graphène. Le graphène de haute qualité, obtenu par dépôt en phase vapeur (CVD), reste inégalé pour certaines applications électroniques de pointe (transistors, capteurs, électronique flexible). En revanche, pour le stockage d’énergie spécifiquement — supercondensateurs, certaines batteries — le carbone de chanvre offre des performances électrochimiques comparables à celles des dispositifs au graphène, avec un avantage décisif : un coût environ 1 000 à 4 000 fois inférieur (500-1 000 $ par tonne contre 500-2 000 $ par gramme pour le graphène de qualité électronique). Le chanvre ouvre donc la perspective d’une industrialisation massive de supercondensateurs hautes performances, là où le graphène reste limité aux applications à très haute valeur ajoutée.

Quelles sont les applications concrètes envisagées ?

Plusieurs débouchés sont identifiés. Pour les véhicules électriques et hybrides, les supercondensateurs au chanvre peuvent compléter les batteries Li-ion en absorbant rapidement l’énergie lors du freinage régénératif et en fournissant les pics de puissance lors des accélérations. Pour les réseaux électriques, ils lissent les variations de courte durée liées à l’intermittence des énergies renouvelables (éolien, solaire). Pour l’électronique grand public et l’outillage, ils offrent des charges ultra-rapides et une longévité d’un million de cycles. Des applications plus spécialisées sont aussi envisagées : équipements militaires et aérospatiaux nécessitant une plage de température étendue (0 à 100 °C), matériel médical (défibrillateurs, alimentations de secours), capteurs sans fil. L’industrialisation massive reste cependant en attente, dix ans après les publications initiales.

Pourquoi les supercondensateurs au chanvre ne sont-ils pas encore commercialisés en masse ?

Plusieurs obstacles freinent l’industrialisation à grande échelle. Sur le plan technique : la reproductibilité industrielle reste complexe (contrôle précis de la température, de la durée, de l’activation), et la densité énergétique de 12 Wh/kg reste nettement inférieure à celle des batteries Li-ion (150-250 Wh/kg) — ce qui limite les supercondensateurs au chanvre à un rôle complémentaire, pas substitutif. Sur le plan économique : la construction d’usines de carbonisation à grande échelle mobilise des dizaines de millions d’euros, difficiles à lever pour un matériau encore perçu comme expérimental ; les supercondensateurs commerciaux actuels au carbone activé classique (~40 $/kg) bénéficient d’une base industrielle bien installée. Enfin, les filières du lithium et du graphène ont concentré l’essentiel des investissements publics et privés dans le stockage d’énergie, créant une inertie technologique difficile à bousculer. La recherche continue néanmoins activement, notamment à Clarkson University, au CEA, à l’INRAE et dans plusieurs laboratoires internationaux.

D’autres biomasses sont-elles utilisées pour le stockage d’énergie ?

Oui, le chanvre n’est qu’un des précurseurs biosourcés étudiés. L’équipe Mitlin elle-même a démontré que les peaux de banane produisent un pseudo-graphite dense particulièrement adapté aux batteries sodium-ion (et non aux supercondensateurs). D’autres résidus agricoles sont activement recherchés : coques de noix de coco, bagasse de canne à sucre, paille de riz, jute, balles de riz, marc de café, écorces diverses. La cellulose cristalline et la nanocellulose sont aussi explorées comme matériaux polyvalents pour électrodes biosourcées. Chaque précurseur possède une structure moléculaire propre qui, une fois transformée, donne des carbones aux caractéristiques différentes — plus ou moins adaptés à tel type de dispositif (supercondensateur, batterie Li-ion, batterie sodium-ion, condensateur hybride). L’intérêt du chanvre tient à sa structure multicouche naturelle (lignine, hémicellulose, cellulose cristalline) qui, une fois traitée, produit spontanément des nanofeuilles planes à haute surface spécifique — particulièrement bien adaptées aux supercondensateurs.