Alors que les chercheurs travaillent sur les véhicules électriques de nouvelle génération, ils peuvent se cogner la tête contre le plafond de ce que les batteries lithium-ion peuvent fournir.

Pendant ce temps, une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan pousse les performances d'une technologie de véhicule électrique concurrente, les piles à combustible à hydrogène, à de nouveaux sommets.

Une pile à combustible à hydrogène est une source d'énergie sans émission nocive qui agit comme un croisement entre une batterie et un réservoir d'essence. Il utilise de l'hydrogène comme carburant et exploite la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène pour produire de l'électricité. La seule "émission" est l'eau.

Une limitation de cette technologie est la capacité de stocker des quantités suffisantes d'hydrogène à bord. Les chercheurs de l'U-M ont identifié des moyens d'entasser plus d'hydrogène que jamais dans de petites structures de stockage appelées charpentes métallo-organiques, augmenter la densité énergétique, et, par conséquent, l'autonomie projetée d'un véhicule à pile à combustible.

Charpentes organiques métalliques, ou MOF, sont des matériaux de conception composés d'ions métalliques couplés à des molécules organiques. Leur nature poreuse fait de certains MOF l'un des moyens les plus prometteurs de stocker l'hydrogène.

Les chercheurs du Michigan ont rassemblé des informations sur tous les MOF disponibles, celles construites antérieurement ainsi que celles qui restent hypothétiques, dans une base de données. Des simulations informatiques à haut débit ont ensuite été utilisées pour parcourir la banque de données résultante de près de 500, 000 MOF pour ceux qui ont des capacités prometteuses.

Trois candidats ont été identifiés qui pourraient dépasser les records précédents pour le stockage de l'hydrogène. Les chercheurs ont ensuite synthétisé ces matériaux et démontré leurs performances.

« Nous démontrons un stockage plus dense en énergie que précédemment, " dit Don Siegel, U-M professeur agrégé de génie mécanique. "Vous pourriez le décrire comme plus efficace, en mettant plus d'énergie dans un espace plus petit et dans un boîtier plus léger."

Tel que publié cette semaine dans Communication Nature , les trois MOF sont surnommés SNU-70, UMCM-9 et PCN-610/NU-100. Chacun a dépassé les performances de l'IRMOF-20, un autre MOF identifié par l'équipe en 2017.

"Ces matériaux établissent un nouveau record pour les capacités d'hydrogène utilisables dans les MOF, " indique l'étude.

Les piles à combustible à hydrogène sont depuis longtemps prometteuses en tant que source d'énergie sans émission pour les voitures électriques. Ils ont, cependant, pris le pas sur les batteries lithium-ion, que vous trouverez à l'intérieur de la plupart des appareils électroniques portables produits aujourd'hui, à partir de téléphones portables et de tablettes, aux appareils photo numériques et aux véhicules électriques.

Les systèmes de piles à combustible à hydrogène présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries lithium-ion. L'élément le plus abondant de l'univers, l'hydrogène est beaucoup plus commun que le lithium, il y a donc peu de chances qu'il y ait un problème d'approvisionnement.

Et une voiture à pile à combustible à hydrogène peut se recharger dans une station en quelques minutes, à peu près le même temps qu'il faut pour remplir un réservoir d'essence maintenant. En revanche, les temps de charge complète des véhicules électriques à batterie au lithium sont généralement mesurés en heures.

Il y a des inconvénients qui ont limité l'adoption de l'hydrogène par l'industrie automobile, toutefois. Par exemple, produire de l'hydrogène est actuellement beaucoup plus coûteux que l'extraction et le raffinage du pétrole.

Le transport de l'hydrogène carburant est un autre problème. En tant que gaz, il est difficile de déplacer et de stocker efficacement de grandes quantités d'hydrogène, soulevant la question de savoir s'il doit être transporté sous forme liquide dans des semi-remorques ou transporté par pipeline sous forme de gaz.

Mais l'attrait de ce que l'hydrogène pourrait potentiellement signifier pour les voitures, et l'environnement, a gardé de grands constructeurs automobiles comme Ford, Hyundai, Toyota, Honda et GM impliqués dans son développement.

Les concepteurs de véhicules électriques cherchent constamment à réduire la taille du système d'alimentation d'une voiture afin d'augmenter l'efficacité. En augmentant la quantité d'hydrogène stockable dans un adsorbant MOF, Siegel a dit, la pression nécessaire à son stockage peut être réduite. La taille du réservoir peut également être réduite.

"Nous voulons éliminer le problème de stockage d'énergie pour les véhicules à pile à combustible à hydrogène. Cela montre que nous allons dans cette direction, " a déclaré Siegel.