C'est un choix difficile :avoir faim ou faire cavalier seul.

Lorsque les soldats sont alourdis sur le champ de bataille par les vivres et les lourdes batteries qui alimentent leur équipement de communication, ils choisissent souvent d'abandonner les rations. C'est un sacrifice fait pour garder les appareils sous tension et les lignes de communication ouvertes sur le terrain.

Plus petite, des batteries plus durables aideraient à alléger la charge d'un soldat, les chercheurs de l'USC travaillent donc avec le département américain de la Défense pour développer de meilleures batteries qui pèsent deux fois moins que les blocs d'alimentation actuels.

La technologie des batteries a un impact au-delà de l'armée, trop, puisque les batteries alimentent tout, des téléphones portables aux voitures. Alors que la demande mondiale d'énergie augmente, Les chercheurs de l'USC jettent un regard neuf sur un avenir alimenté par batterie. Des batteries innovantes pourraient nous aider à stocker de l'énergie renouvelable dans des réseaux énergétiques à grande échelle pour desservir des villes entières, réduire notre dépendance aux combustibles fossiles. À la fois, les scientifiques ont découvert de nouvelles sources pour cette énergie.

La course est lancée pour alimenter une nouvelle révolution de la batterie.

De nouveaux matériaux pour plus d'efficacité, Batteries plus propres

Il existe de nombreux types de piles rechargeables, mais parmi les plus omniprésentes se trouvent celles de nos téléphones portables et ordinateurs :les batteries lithium-ion. Ces unités peuvent stocker deux fois plus d'énergie en volume que les variétés nickel-hydrure métallique, et ils sont généralement plus légers, trop. Mais ils sont également connus pour leur tendance à se réchauffer (et déplorés de mourir aux moments les plus inopportuns). Heures supplémentaires, ils se dégradent et perdent leur capacité à retenir une charge électrique. Les experts disent que malgré leur popularité, leurs jours peuvent être comptés.

"L'un des problèmes majeurs des batteries lithium-ion est que le lithium n'est pas un matériau abondant, donc ce n'est tout simplement pas durable" dit Sri Narayan, professeur de chimie à l'USC Dornsife College of Letters, Arts et Sciences et co-directeur scientifique à l'USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "En réalité, si vous regardez dans un futur lointain, nous pourrions manquer de lithium si nous continuons à le consommer au rythme actuel. Nous avons besoin de matériaux alternatifs qui contiennent plus d'énergie dans le même volume sans beaucoup de lithium."

Narayan pense qu'une alternative viable réside dans le soufre, une ressource naturelle abondante et bon marché. En ajoutant une membrane de conduction unique à une batterie lithium-soufre, il a créé une batterie qui produit trois fois plus d'énergie pour sa taille que les technologies lithium-ion actuelles. Parce que ces batteries seraient plus petites et mieux stocker la charge électrique que les batteries lithium-ion, ils seraient idéaux lorsque plus d'énergie doit être emballée dans un petit appareil. Selon Narayan, ils pourraient être utilisés dans les téléphones portables, ordinateurs et éventuellement véhicules électriques, y compris les voitures et même les avions.

Le potentiel révolutionnaire de son travail a attiré l'attention du département américain de la Défense, qui a financé les recherches de Narayan pour développer une batterie plus légère pour les soldats sur le champ de bataille.

Chongwu Zhou, professeur de génie électrique à l'USC Viterbi School of Engineering, s'est tourné vers une autre ressource naturelle pour améliorer les batteries des téléphones portables. Sa conception utilise du sodium, un élément généralement associé au sel de table, en remplacement du lithium. La batterie innovante au sodium-ion de Zhou peut être chargée à 50 % de sa capacité en seulement 2 minutes. Même s'il est encore en développement et pas encore prêt pour le marché, elle a déjà un avantage par rapport aux batteries existantes :la fabrication. Le sodium est bon marché et abondant, et c'est plus respectueux de l'environnement que le lithium, qui doit être miné.

Une technologie de batterie fiable et résiliente

Une heure d'ensoleillement fournit plus que toute l'énergie consommée sur la planète en un an. Les panneaux solaires sont un moyen pour nous d'exploiter une partie de cet universel, source d'alimentation gratuite, mais que se passe-t-il un jour de pluie ? Les panneaux solaires ne peuvent produire de l'électricité que lorsque le soleil les éclaire, et les éoliennes ne peuvent produire de l'électricité que lorsque le vent souffle. Les hauts et les bas de l'offre de ces sources renouvelables font qu'il est difficile pour les compagnies d'électricité de s'appuyer sur elles pour répondre à la demande des clients en temps réel.

« Il est sûr de dire que le soleil sera là pour les 4,5 milliards d'années à venir ; par conséquent, nous n'avons pas de crise énergétique mais une crise de stockage d'énergie, " dit Surya Prakash, professeur de chimie et titulaire de la chaire George A. et Judith A. Olah, lauréate du prix Nobel en chimie des hydrocarbures.

Si les batteries pouvaient stocker l'énergie excédentaire pour garder un approvisionnement constant à portée de main, bien que, que le manque de fiabilité sporadique pourrait cesser d'être un problème. C'est pourquoi Prakash et Narayan ont développé une batterie organique à base d'eau qui est de longue durée et construite à partir de bon marché, composants respectueux de l'environnement. Ce nouveau design n'utilise pas de métaux ou de matériaux toxiques et est destiné à être utilisé dans les centrales solaires et éoliennes, où sa capacité de stockage à grande échelle pourrait rendre le réseau énergétique plus résilient et plus efficace.

Leur technologie de batterie diffère des batteries conventionnelles familières aux consommateurs. C'est ce qu'on appelle une batterie à flux redox et se compose de deux réservoirs de fluide, qui stockent l'énergie. Les fluides sont pompés à travers des électrodes séparées par une membrane. Le fluide contient des électrolytes, et les ions et les électrons circulent d'un fluide dans l'autre à travers la membrane puis l'électrode, créer un courant électrique.

"Le stockage d'énergie à grande échelle est un problème critique dans l'avenir des énergies renouvelables, ", dit Narayan. "Ces batteries à flux pourraient être facilement étendues pour stocker le type d'énergie excédentaire qui est générée."

Ressemblant à un petit bâtiment, la batterie à flux redox envisagée par Prakash agirait comme une sorte de parc de batteries, stocker l'énergie excédentaire générée par les panneaux solaires ou les éoliennes à proximité. "Vous n'utiliseriez pas toute l'énergie stockée pour alimenter des maisons individuelles, mais plutôt de garder la grille équilibrée, " dit Prakash, directeur de l'USC Loker Hydrocarbon Research Institute. "Quand les demandes de puissance augmentent, le stockage fourni par ces batteries va permettre d'équilibrer le réseau en permettant le délestage, de sorte que vous ne comptez pas uniquement sur la combustion de combustibles fossiles. »

Les nouvelles batteries à flux organique à base d'eau durent environ 5, 000 cycles de recharge, cinq fois plus longs que les batteries lithium-ion traditionnelles, ce qui leur donne une durée de vie d'environ 15 ans. À un dixième du coût des batteries lithium-ion, ils sont aussi beaucoup moins chers à fabriquer grâce à leur utilisation abondante, matériaux durables.

Narayan et Prakash ont testé une batterie à débit de 1 kilowatt capable d'alimenter les besoins de base en électricité d'une petite maison. « Nous envisageons ensuite d'augmenter le volume d'énergie pour stocker suffisamment d'énergie pour tout un pâté de maisons, la ville elle-même, et enfin pour une mégapole comme Los Angeles, " dit Narayan.

Un nouveau cadre pour le stockage de l'énergie

Alors que la consommation mondiale annuelle d'énergie devrait continuer d'augmenter d'environ 50 % au cours des 30 prochaines années, s'appuyer sur des ressources renouvelables est l'une des motivations les plus importantes pour faire avancer la recherche sur les technologies durables. Le monde ne peut pas continuer à dépendre des combustibles fossiles pour répondre à la demande énergétique sans conséquences environnementales dévastatrices, disent les chercheurs.

"Ce que nous devons faire dans les 30 prochaines années, c'est diversifier notre portefeuille énergétique pour inclure les énergies renouvelables et les intégrer progressivement pour nous sevrer de la combustion des combustibles fossiles, ou au moins réduire considérablement, " dit Smaranda C. Marinescu, Gabilan Professeur assistant de chimie à l'USC Dornsife.

Marinescu se concentre sur la collecte de l'énergie récoltée à partir de la lumière du soleil et son stockage sous forme d'énergie chimique, un peu comme le font les plantes grâce à la photosynthèse. Elle et son équipe travaillent sur un moyen de convertir cette énergie stockée en électricité en utilisant ce qu'on appelle des structures métallo-organiques. Ces flexibles, les structures cristallines ultrafines et très poreuses ont des propriétés uniques qui ont été utilisées par les scientifiques principalement pour absorber et séparer différents types de gaz. Leur utilisation pour des applications énergétiques semblait être une cause perdue car les chercheurs pensaient qu'ils ne pouvaient pas conduire l'électricité. Mais le travail de Marinescu a changé cela.

Dans le laboratoire, son équipe a expérimenté le matériau. Ils ont pris des électrons localisés dans des liaisons (ce qui les empêche de conduire l'électricité) et les ont répartis sur de multiples liaisons, développer des solides qui pourraient maintenant transporter le courant électrique de la même manière que les métaux. « Les charpentes métallo-organiques ont maintenant le potentiel pour la production et le stockage d'énergie renouvelable, " dit Marinescu.

Les cadres développés par son groupe de recherche contiennent des éléments peu coûteux et peuvent transformer l'eau acide en hydrogène. Cela représente une énorme avancée, car ces matériaux pourraient un jour être utilisés dans des technologies comme celles des véhicules à hydrogène. Ils peuvent également être étalés sur une grande surface :il ne faut que 10 grammes de matériau pour recouvrir une surface de la taille d'un terrain de football.

La technologie ouvre la porte au stockage d'énergie renouvelable à un échelle presque impensable.

Des batteries avec une vie propre

Les batteries du futur pourraient-elles provenir d'organismes vivants ?

Moh El Naggar, Chaire Robert D. Beyer Early Career en sciences naturelles et professeur de physique et d'astronomie, sciences biologiques et chimie à l'USC Dornsife, pense que la nature a un potentiel surprenant de puissance.

El-Naggar étudie le métabolisme inhabituel de bactéries comme Shewanella oneidensis. Les bactéries transfèrent des électrons à des surfaces solides comme la roche, créant de minuscules charges électriques. Pour créer une "batterie bactérienne vivante, " L'équipe d'El-Naggar envisage une pile à combustible microbienne qui peut générer de l'énergie en capturant les électrons des bactéries via des électrodes. Les scientifiques conçoivent des technologies qui exploitent le processus naturel de transfert d'électrons de la bactérie.

"Les bactéries sont des machines hautement évoluées qui sont vraiment douées pour convertir l'énergie et interagir avec les parties non vivantes de l'environnement, ", dit El-Naggar. "Nous travaillons également sur l'utilisation des propres processus naturels de la bactérie pour fabriquer des biocarburants ou construire des semi-conducteurs pour les technologies énergétiques propres telles que les cellules solaires."

Mais El-Naggar prévient que les bactéries ne seront probablement jamais la réponse aux besoins énergétiques à grande échelle. "Par rapport aux batteries plus traditionnelles, la densité de puissance que nous obtenons en exploitant la biologie est généralement plus faible, ", dit El-Naggar. "Mais il existe des niches spécifiques qui reposent en fait sur une faible puissance où il est difficile d'utiliser des sources d'énergie traditionnelles."

Par exemple, des microbes et des appareils pourraient être placés au fond de l'océan et générer suffisamment d'énergie pour de minuscules, capteurs très sensibles. L'armée américaine développe de tels capteurs pour la surveillance sous-marine. L'utilisation de piles vivantes pour les capteurs dans des endroits océaniques éloignés serait beaucoup plus pratique que de devoir changer les piles traditionnelles ou fournir du carburant à ces capteurs.

Les travaux d'El-Naggar peuvent conduire au développement de nouveaux matériaux hybrides et de technologies renouvelables qui combinent des micro-organismes avec les éléments synthétiques de la nanotechnologie, potentiellement créer une nouvelle forme hybride d'énergie durable.

S'il y aura probablement plus d'une solution pour alimenter la planète de manière durable, El-Naggar voit une opportunité de perturber le statu quo. Il voit également l'université prête à étendre les possibilités de ce que de meilleures batteries peuvent faire.

"USC est vraiment bon pour briser les murs entre les disciplines scientifiques, et c'est un avantage important pour l'innovation dans le domaine des énergies renouvelables, qui n'est défini par aucune discipline, " dit El-Naggar. Son laboratoire comprend un nombre égal d'étudiants diplômés et de post-doctorants en physique, sciences biologiques et chimie.

"Nous sommes assez agiles lorsqu'il s'agit de franchir les frontières traditionnelles des domaines scientifiques."