Marc-Olivier Gosselin : une histoire de curiosité menant à la chimie des batteries aluminium-air

Au croisement de la chimie des matériaux, de la transition énergétique et de la recherche fondamentale, Marc-Olivier Gosselin consacre son doctorat à un défi aussi concret que complexe : mieux comprendre les alliages d’aluminium qui pourraient servir de base à de nouvelles piles aluminium-air. Sous la direction de la Pre Allison Wustrow, et en collaboration avec plusieurs collègues, il s’intéresse à la stabilité de ces matériaux, à leur réactivité de surface et aux mécanismes électrochimiques qui déterminent leur performance.

Ses travaux prennent place dans un contexte où l’électrification des véhicules s’impose comme l’un des grands leviers de la décarbonation des transports. Cette transition exerce toutefois une pression croissante sur les chaînes d’approvisionnement en matériaux stratégiques nécessaires aux batteries, notamment le lithium, le nickel, le cobalt, le graphite et le cuivre.

Dans ce contexte, la recherche de technologies de stockage plus diversifiées, sobres et adaptées aux réalités territoriales devient un enjeu scientifique, industriel et géopolitique majeur. Les piles aluminium-air offrent à cet égard une avenue prometteuse : elles misent sur un métal abondant, recyclable et déjà fortement ancré dans le tissu industriel québécois, tout en ouvrant de nouvelles questions fondamentales sur la conception de matériaux plus performants et plus durables.

Parcours de formation et projets étudiants

Fils et petit-fils de constructeurs, il a d’abord développé sa compréhension du monde par les mains, en assistant son père dans divers projets de construction et en lui posant sans relâche des questions sur les matériaux manipulés. Cette curiosité initiale, portant sur la composition intime des objets — le bois, la colle, la mélamine — a progressivement orienté ses interrogations vers la chimie.

Ayant fait son cégep pendant la pandémie de COVID-19, il conserve un intérêt marqué pour les disciplines scientifiques, avec une préférence naissante pour la chimie, discipline qui lui permettait de contextualiser une molécule au sein d’un matériau et de nourrir ses questionnements sur la structure de la matière.

Son choix de l’Université de Sherbrooke pour le baccalauréat s’est appuyé sur deux critères : l’accessibilité économique et surtout la présence du régime coopératif, qui offrait la possibilité de mettre concrètement les mains dans la recherche pendant la formation. Les stages coop et la participation aux séminaires du département de chimie — ouverts aux étudiants de premier cycle — lui ont permis de discerner ses affinités. La chimie inorganique, notamment celle des matériaux qu’il découvre au fil de ses études, lui a offert un terrain de recherche fondamental encore largement inexploré.

En chimie inorganique, les trois quarts de la compréhension qu'on a, c'est: on va prendre un métal, on va le mélanger avec un autre métal, on va les mettre à chauffer pendant longtemps, puis on va regarder ce qui se passe. Et ce n'est pas plus poussé que ça. Il y a différentes méthodes de synthèse, mais les trois quarts reposent sur "on va le mettre à des très hautes températures puis on va espérer que ça marche".

Marc-Olivier Gosselin

Ce constat l’a conduit à s’engager dans une maîtrise sous la direction de la professeure Allison Wustrow, portant sur l’étude de substitutions hétéroanioniques dans des matériaux de cathode de batteries lithium. Ce projet s’attachait à comprendre comment le remplacement d’une partie des atomes d’oxygène par du fluor dans la structure cathodique affecte la stabilité et les performances électrochimiques du matériau. Devant la forte connexion entre ce travail et un sujet doctoral naissant sur les batteries aluminium-air, un passage accéléré vers le doctorat lui a été accordé.

Travaux de recherche en cours, partenariats et collaborations

Le projet doctoral de Marc-Olivier Gosselin s’inscrit dans le cadre d’un partenariat franco-canadien structurant intitulé « Évaluer l’Aluminium énergie : performances et circularité, des électrons à la pile Aluminium-air (EvAlNR) ». Ce projet réunit deux thèses complémentaires, l’une en France sous la direction du professeur Philippe Mandin (Université de Bretagne Sud, IRDL UMR CNRS 6027) et de son collègue Laurent Guillet (Lab-STICC UMR CNRS 6285), et l’autre à l’Université de Sherbrooke sous la direction de la professeure Allison Wustrow (Département de chimie, Institut Quantique).

Le contexte technologique justifiant ces travaux est bien circonscrit. Les batteries lithium-ion, technologie de référence pour le stockage électrochimique, atteignent des densités énergétiques autour de 150 Wh/kg et 300 Wh/L, mais reposent sur un métal peu abondant et concentré dans quelques régions du monde, avec des enjeux éthiques et géopolitiques importants — notamment autour de l’exploitation du cobalt en République démocratique du Congo. L’hydrogène, pour sa part, requiert des platinoïdes rares et des réservoirs sous haute pression complexes. L’aluminium présente au contraire l’avantage d’être le métal le plus abondant de la croûte terrestre (environ 8 %), avec une filière industrielle mature et bien implantée au Québec. Les piles Al-air permettraient d’espérer, selon les alliages utilisés, jusqu’à 4 kWh/kg et 11 kWh/L, avec un rendement approchant 50 % pour les prototypes les plus performants.

Comme Marc-Olivier Gosselin l’explique, une pile aluminium-air se compose d’une anode d’aluminium métallique, d’une cathode de type grille exposée à l’air, et d’un électrolyte aqueux alcalin (typiquement une solution de NaOH). Contrairement au lithium, qui réagit violemment avec l’eau, l’air et de nombreux contaminants, l’aluminium métallique est stable dans l’environnement, ce qui permet de se passer des solvants organiques inflammables et toxiques utilisés dans les batteries Li-ion. La pile Al-air est toutefois une pile primaire : l’anode se consomme au cours de la décharge et doit être remplacée physiquement, l’hydroxyde d’aluminium produit pouvant être retraité par les procédés industriels existants (procédé Bayer, procédé Hall-Héroult) pour boucler le cycle.

Le projet spécifique de Marc-Olivier Gosselin porte sur la compréhension fondamentale de l’anode. Actuellement, seuls sont utilisés des alliages disponibles commercialement, ce qui empêche toute étude systématique de l’effet des éléments dopants et des concentrations optimales. Deux problèmes principaux limitent les performances : d’une part, la formation d’une couche passivante (« barrière ») à la surface de l’anode qui réduit le taux d’utilisation à environ 80-85 %, et d’autre part, une réaction parasite de production d’hydrogène (Hydrogen Evolution Reaction, HER) qui entre en compétition avec la réaction de réduction de l’oxygène (Oxygen Reduction Reaction, ORR) souhaitée. La réaction avec l’oxygène offre pourtant une valorisation énergétique environ 1,8 fois supérieure à celle produisant seulement de l’hydrogène.

L’approche méthodologique combine deux volets. Le premier repose sur le criblage computationnel par chimie quantique, en s’appuyant sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), expertise développée par la professeure Wustrow à l’Institut Quantique. Il s’agit d’évaluer la stabilité thermodynamique de différents alliages, leur énergie de formation par rapport aux éléments constitutifs et aux phases concurrentes, le potentiel de circuit ouvert sur différentes faces cristallographiques, ainsi que les énergies de liaison des intermédiaires réactionnels le long des voies ORR et HER. Le second volet consiste en la synthèse expérimentale des candidats retenus, tirant parti du point de fusion relativement bas de l’aluminium (660 °C) qui autorise la formation d’alliages à l’état fondu, complétée par des méthodes de trempe ou d’électrosynthèse pour les phases métastables. Des tests de décharge galvanostatique et de polarisation viennent alors valider les prédictions computationnelles.

Une attention particulière est portée aux éléments déjà présents dans la bauxite traitée au Québec, ainsi qu’à la viabilité économique et environnementale des éléments d’alliage, en collaboration étroite avec l’équipe du professeur Désilets qui apporte son expertise en production d’aluminium primaire et en analyse des impuretés introduites dans l’électrolyte usagé.

Expérience de recherche à Sherbrooke et perspectives

L’environnement de recherche offert par l’Université de Sherbrooke a joué un rôle déterminant dans la trajectoire de Marc-Olivier Gosselin.

Ce qui est bien, c'est que tous les séminaires sont publics : c'est aussi public pour tous les étudiants gradués de premier cycle ou ceux qui sont encore en train de faire leur bac. Donc, pendant que tu fais ton bac, t'es capable d'aller au séminaire, de voir sur quoi les gens travaillent, ce qu'ils font comme projet.

Marc-Olivier Gosselin

Le passage de la maîtrise au doctorat témoigne d’une continuité thématique — de la substitution hétéroanionique dans les cathodes lithium à la compréhension fondamentale des alliages d’anode aluminium — et d’une progression naturelle vers des enjeux appliqués de plus grande envergure.

Le programme prévoit également des séjours en cotutelle entre Sherbrooke et Lorient,  lui permettant de bénéficier d’un encadrement partagé et d’un accès aux bancs expérimentaux de l’IRDL pour l’évaluation des performances de pile et des lois de vieillissement, complémentaires aux moyens de synthèse et de caractérisation disponibles à l’UdeS.

Marc-Olivier Gosselin manifeste par ailleurs un intérêt notable pour la vulgarisation scientifique.

J'aime bien expliquer en général. Quand tu es en conférence et qu'il y a des profs, ils ont parfois leurs enfants avec eux. Une des conférences que j'ai fait cet été, c'était le cas d’un des profs que j'avais eu l'année passée, il avait amené ses enfants de 7 et 10 ans, puis il voulait que j'explique mon projet à ses enfants. J'ai donc essayé d'expliquer vraiment simplement pour qu'ils puissent au moins avoir une idée de ce sur quoi je travaille.

Marc-Olivier Gosselin

À l’été 2026, il a remporté le troisième prix de la meilleure affiche scientifique lors du 10e Colloque annuel sur la recherche des matériaux fonctionnels, tenu à l'Université de Sherbrooke. Cet événement a été une excellente occasion de présenter les résultats de ses travaux de maîtrise portant sur l'utilisation de l'oxyfluorure de molybdène comme matériau de cathode pour les batteries.

Au-delà de la contribution scientifique à la compréhension des mécanismes d’anode, les travaux de Marc-Olivier s’inscrivent dans un effort plus large de développement d’une technologie de stockage d’énergie moins dépendante de ressources critiques, mieux alignée avec les impératifs d’écoresponsabilité et compatible avec la filière aluminium québécoise. La perspective d’établir des projets structurants entre les équipes des deux côtés de l’Atlantique laisse entrevoir un ancrage durable de ces recherches dans le paysage international du stockage électrochimique.