La batterie à protons développée par RMIT connectée à un voltmètre. Le prototype fonctionnel a une énergie par unité de masse déjà comparable à celle des batteries lithium-ion disponibles dans le commerce. Crédit :Université RMIT
Des chercheurs de l'Université RMIT de Melbourne, L'Australie a fait la démonstration pour la première fois d'une "batterie à protons" rechargeable et fonctionnelle qui pourrait recâbler la façon dont nous alimentons nos maisons, véhicules et appareils.
La batterie rechargeable est écologique, et a le potentiel, avec un développement ultérieur, pour stocker plus d'énergie que les batteries lithium-ion actuellement disponibles.
Les applications potentielles de la batterie à protons comprennent le stockage domestique de l'électricité à partir de panneaux solaires photovoltaïques, comme le fait actuellement le « mur de puissance » de Tesla utilisant des batteries au lithium-ion.
Avec quelques modifications et une mise à l'échelle, La technologie des batteries à protons peut également être utilisée pour le stockage à moyenne échelle sur les réseaux électriques - comme la batterie au lithium géante en Australie-Méridionale - ainsi que pour alimenter les véhicules électriques.
Le prototype fonctionnel de la batterie à protons utilise une électrode de carbone comme réservoir d'hydrogène, couplé à une pile à combustible réversible pour produire de l'électricité.
C'est l'électrode de carbone et les protons de l'eau qui donnent à la batterie à protons son caractère environnemental, énergie et avantage économique potentiel, déclare le chercheur principal, le professeur John Andrews.
"Notre dernière avancée est une étape cruciale vers le bon marché, des batteries à protons durables qui peuvent aider à répondre à nos futurs besoins énergétiques sans endommager davantage notre environnement déjà fragile, ", a déclaré Andrews.
« Alors que le monde évolue vers des énergies renouvelables intrinsèquement variables pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et lutter contre le changement climatique, les besoins en stockage d'énergie électrique seront gigantesques.
« La batterie à protons est l'un des nombreux contributeurs potentiels pour répondre à cette énorme demande de stockage d'énergie. Alimenter les batteries avec des protons a le potentiel d'être plus économique que d'utiliser des ions lithium, qui sont fabriqués à partir de ressources rares.
"Carbone, qui est la principale ressource utilisée dans notre batterie à protons, est abondant et bon marché par rapport aux deux alliages métalliques de stockage d'hydrogène, et le lithium nécessaire pour les batteries lithium-ion rechargeables."
Pendant la charge, le carbone de l'électrode se lie aux protons générés par la division de l'eau à l'aide des électrons de l'alimentation. Les protons sont à nouveau libérés et repassent à travers la pile à combustible réversible pour former de l'eau avec l'oxygène de l'air pour générer de l'énergie. Contrairement aux combustibles fossiles, le carbone ne brûle pas et ne provoque pas d'émissions dans le processus.
Le professeur John Andrews (au centre) avec l'équipe du RMIT qui a mené les dernières expériences sur les batteries à protons :Dr Shahin Heidari (à gauche) et Saeed Seif Mohammadi (chercheur doctorant, droit). Non représenté :Dr Amandeep Singh Oberoi (maintenant à l'Université Thapar Patiala, Inde). Crédit :Université RMIT
Les expériences des chercheurs ont montré que leur petite batterie à protons, avec une surface intérieure active de seulement 5,5 centimètres carrés, était déjà capable de stocker autant d'énergie par unité de masse que les batteries lithium-ion disponibles dans le commerce. C'était avant que la batterie ne soit optimisée.
« Les travaux futurs se concentreront désormais sur l'amélioration des performances et de la densité énergétique grâce à l'utilisation de matériaux à base de carbone à couche mince atomique tels que le graphène, avec l'objectif d'une batterie proton vraiment compétitive avec les batteries lithium-ion bien en vue, ", a déclaré Andrews.
Les recherches du RMIT sur la batterie à protons ont été en partie financées par l'Australian Defence Science and Technology Group et l'US Office of Naval Research Global.
Comment fonctionne la batterie à protons
Le prototype fonctionnel de la batterie à protons combine les meilleurs aspects des piles à combustible à hydrogène et de l'énergie électrique à base de batterie.
La dernière version combine une électrode de carbone pour le stockage à l'état solide de l'hydrogène avec une pile à combustible réversible pour fournir une unité rechargeable intégrée.
L'utilisation réussie d'une électrode à base de charbon actif dans une batterie à protons est une avancée significative et est signalée dans le Journal international de l'énergie hydrogène .
Pendant la charge, les protons produits par la division de l'eau dans une pile à combustible réversible sont conduits à travers la membrane de la cellule et se lient directement au matériau de stockage à l'aide d'électrons fournis par la tension appliquée, sans former d'hydrogène gazeux.
En mode de fourniture d'électricité, ce processus est inversé; les atomes d'hydrogène sont libérés du stockage et perdent un électron pour redevenir des protons. Ces protons repassent ensuite à travers la membrane cellulaire où ils se combinent avec l'oxygène et les électrons du circuit externe pour reformer l'eau.
Un avantage potentiel majeur de la batterie à protons est une efficacité énergétique beaucoup plus élevée que les systèmes à hydrogène conventionnels, ce qui la rend comparable aux batteries lithium-ion. Les pertes associées au dégagement d'hydrogène gazeux et à la redissociation en protons sont éliminées.
Il y a plusieurs années, l'équipe du RMIT a montré qu'une batterie à protons avec une électrode en alliage métallique pour stocker l'hydrogène pouvait fonctionner, mais sa réversibilité et sa recharge étaient trop faibles. L'alliage utilisé contenait également des éléments de terres rares, et était donc lourd et coûteux.
Les derniers résultats expérimentaux ont montré qu'une électrode de charbon actif poreux en résine phénolique était capable de stocker environ 1 % en poids d'hydrogène dans l'électrode. Il s'agit d'une énergie massique déjà comparable aux batteries lithium-ion du commerce, même si la batterie à protons est loin d'être optimisée. La tension de cellule maximale était de 1,2 volt.
