Réimaginer une batterie oubliée de Thomas Edison
Les protéines issues de la production de viande bovine révolutionnent les piles
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Un fait peu connu : en 1900, les voitures électriques étaient plus nombreuses que les voitures à essence sur les routes américaines. La batterie plomb-acide de l'époque, mise au point par Thomas Edison, était coûteuse et n'avait qu'une autonomie de 30 miles environ. Cherchant à améliorer cette situation, Edison pensait que la batterie nickel-fer était l'avenir, avec la promesse d'une autonomie de 100 miles, d'une longue durée de vie et d'un temps de recharge de sept heures, rapide pour l'époque.
Une illustration symbolise la nouvelle technologie des piles : Les protéines (en rouge) contiennent de minuscules grappes de métal (en argent). Chaque boule jaune dans les structures au centre représente un seul atome de nickel ou de fer.
Maher El-Kady/UCLA
Hélas, cette promesse ne s'est jamais concrétisée. Les premières batteries de voitures électriques souffraient encore de sérieuses limitations, et les progrès du moteur à combustion interne l'ont emporté.
Aujourd'hui, une collaboration internationale de recherche codirigée par l'UCLA s'inspire du livre d'Edison et met au point une technologie de batterie nickel-fer qui pourrait être bien adaptée au stockage de l'énergie produite par les fermes solaires. Le prototype a pu être rechargé en quelques secondes seulement, au lieu de plusieurs heures, et a réalisé plus de 12 000 cycles de vidange et de recharge, soit l'équivalent de plus de 30 ans de recharges quotidiennes.
La technologie a été construite à partir de minuscules grappes de métal modelées à l'aide de protéines, qui ont ensuite été liées à un matériau bidimensionnel composé de feuilles d'un seul atome d'épaisseur. Malgré les ingrédients innovants, les techniques sont faussement simples et peu coûteuses.
"Les gens pensent souvent que les outils nanotechnologiques modernes sont compliqués et de haute technologie, mais notre approche est étonnamment simple et directe", a déclaré Maher El-Kady, coauteur de l'étude et chercheur adjoint au département de chimie et de biochimie du Collège de l'UCLA. "Nous ne faisons que mélanger des ingrédients courants, appliquer des étapes de chauffage en douceur et utiliser des matières premières largement disponibles".
L'étude a été publiée dans la revue Small et figure en quatrième de couverture.
Des piles qui bénéficient de l'aide de la biologie
Le monde naturel a fourni quelques indices aux chercheurs. Le processus par lequel les animaux forment leurs os et les mollusques leur enveloppe dure est particulièrement intéressant. Que les squelettes soient à l'intérieur ou à l'extérieur, ils sont constitués de protéines qui servent d'échafaudages pour recueillir des composés à base de calcium.
Les chercheurs ont cherché à imiter ce mécanisme pour générer leurs minuscules grappes de nickel ou de fer, selon Ric Kaner, co-auteur de la correspondance et professeur distingué de chimie et de biochimie à l'UCLA College et de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCLA Samueli School of Engineering.
"Nous avons été inspirés par la façon dont la nature dépose ces types de matériaux", a déclaré Kaner, qui est également titulaire de la chaire Dr Myung Ki Hong en innovation des matériaux et membre de l'Institut californien des nanosystèmes de l'UCLA. "En déposant les minéraux de la bonne manière, on obtient des os solides, mais suffisamment souples pour ne pas être cassants. La manière de procéder est presque aussi importante que le matériau utilisé, et les protéines guident la façon dont elles sont placées".
Dans cette étude, l'équipe a utilisé des protéines qui sont des sous-produits de la production de viande bovine. Les molécules ont servi de modèles pour la croissance d'amas de nickel pour les électrodes positives et de fer pour les électrodes négatives. Les coins et recoins de la structure pliée de la protéine ont limité la taille des amas métalliques à moins de 5 nanomètres. C'est tellement petit qu'il faudrait environ 10 000 à 20 000 amas pour atteindre la largeur d'un cheveu humain. Les chercheurs ont même détecté des atomes de fer et de nickel dans leurs électrodes.
Les protéines ont été combinées à de l'oxyde de graphène, un matériau 2D ultrafin qui se présente sous la forme de feuilles d'un seul atome d'épaisseur comprenant du carbone décoré d'atomes d'oxygène. Si l'oxygène peut créer des blocages qui font que le matériau se comporte davantage comme un isolant, le processus qui a suivi a tout changé.
Les ingrédients ont été surchauffés dans de l'eau, puis cuits à haute température, ce qui a permis aux protéines de se transformer en carbone, d'éliminer l'oxygène du matériau 2D et d'y intégrer les minuscules grappes de métal guidées par les protéines. La structure obtenue est un aérogel, composé de près de 99 % d'air en volume.
La surface comme super-pouvoir
Une partie de la sauce secrète de la technologie est la surface : plus elle est exposée, plus il y a d'espace pour que les réactions à l'origine de la chimie des batteries se produisent.
La finesse de l'aérogel de graphène et l'excédent d'espace vide offraient un espace considérable. La minceur des nanoclusters métalliques tire parti d'un principe mathématique fondamental : à mesure que les objets deviennent plus petits, la taille de la surface extérieure exposée augmente bien plus que le volume.
"Lorsque nous passons de particules plus grandes à ces nanoclusters extrêmement minuscules, la surface augmente considérablement", explique M. El-Kady. "C'est un énorme avantage pour les batteries. Lorsque les particules sont aussi minuscules, presque chaque atome peut participer à la réaction. Ainsi, la charge et la décharge se font beaucoup plus rapidement, on peut stocker plus de charge et la batterie dans son ensemble fonctionne plus efficacement.
Perspectives d'avenir et prochaines étapes
Malgré ses avantages en termes de vitesse de charge et de durabilité, cette itération de la technologie n'atteint pas les capacités de stockage des batteries lithium-ion actuelles. L'autonomie étant une priorité sur le marché des voitures électriques, les chercheurs pensent que cette batterie du futur, inspirée d'Edison, pourrait un jour trouver des applications dans d'autres domaines.
Par exemple, la charge rapide, le rendement élevé et l'endurance robuste de cette technologie semblent convenir au stockage de l'électricité excédentaire produite par les fermes solaires pendant la journée, afin d'alimenter le réseau la nuit. Elle pourrait également être utile pour l'alimentation de secours des centres de données.
"Comme cette technologie pourrait prolonger la durée de vie des batteries de plusieurs dizaines d'années, elle pourrait être idéale pour stocker l'énergie renouvelable ou prendre rapidement le relais en cas de coupure de courant", a déclaré M. El-Kady. "Cela permettrait d'éliminer les inquiétudes liées à l'évolution du coût de l'infrastructure.
Les chercheurs étudient la possibilité d'utiliser leur technique de fabrication de nanoclusters avec d'autres métaux. Ils étudient également la possibilité de remplacer les protéines bovines par des polymères naturels plus abondants, donc moins coûteux et plus faciles à mettre à l'échelle en vue d'une fabrication future.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Habibeh Bishkul, Abolhassan Noori, Mohammad S. Rahmanifar, Nasim Hassani, Mehdi Neek‐Amal, Junlei Liu, Cheng Zhang, Maher F. El‐Kady, Nahla B. Mohamed, Richard B. Kaner, Mir F. Mousavi; "Protein‐Templated Fe and Ni Subnanoclusters for Advanced Energy Storage and Electrocatalysis"; Small, Volume 21, 2025-8-30
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