Les nanomatériaux seront des composants clés pour permettre la technologie portable, selon une équipe internationale de chercheurs dont le rapport complet sur l'avenir du domaine a été publié dans la science cette semaine. Crédit :Université Drexel
Le défi de construire un avenir énergétique qui préserve et améliore la planète est une entreprise colossale. Mais tout dépend des particules chargées se déplaçant à travers des matériaux invisiblement petits.
Les scientifiques et les politiciens ont reconnu la nécessité d'un changement urgent et substantiel dans les mécanismes mondiaux de production et de consommation d'énergie afin d'arrêter son élan vers un cataclysme environnemental. Une correction de cap de cette ampleur est certainement intimidante, mais un nouveau rapport dans le journal Science suggère que la voie technologique pour parvenir à la durabilité a déjà été tracée, c'est juste une question de choisir de le suivre.
Le rapport, rédigé par une équipe internationale de chercheurs, explique comment la recherche dans le domaine des nanomatériaux pour le stockage de l'énergie au cours des deux dernières décennies a permis le grand pas qui sera nécessaire pour utiliser des sources d'énergie durables.
« La plupart des plus gros problèmes auxquels est confrontée la promotion de la durabilité peuvent tous être liés au besoin d'un meilleur stockage d'énergie, " dit Yury Gogotsi, Doctorat., Distinguished University et professeur Bach au Collège d'ingénierie de l'Université Drexel et auteur principal de l'article. « Qu'il s'agisse d'une utilisation plus large des sources d'énergie renouvelables, stabiliser le réseau électrique, gérer les demandes énergétiques de notre technologie intelligente et connectée omniprésente ou faire la transition de nos transports vers l'électricité - la question à laquelle nous sommes confrontés est de savoir comment améliorer la technologie de stockage et de distribution de l'énergie. Après des décennies de recherche et développement, la réponse à cette question peut être offerte par les nanomatériaux.
Les auteurs présentent une analyse complète de l'état de la recherche sur le stockage d'énergie impliquant des nanomatériaux et suggèrent la direction que la recherche et le développement doivent prendre pour que la technologie atteigne la viabilité générale.
La confiture
Presque tous les plans pour la durabilité énergétique - du Green New Deal à l'Accord de Paris, aux différentes politiques régionales d'émissions de carbone - affirmer la nécessité de maîtriser la consommation d'énergie tout en puisant dans les nouvelles sources renouvelables, comme l'énergie solaire et éolienne. Le goulot d'étranglement pour ces deux efforts est le besoin d'une meilleure technologie de stockage d'énergie.
Le problème avec l'intégration des ressources renouvelables dans notre réseau énergétique est qu'il est difficile de gérer l'offre et la demande d'énergie étant donné la nature imprévisible de... la nature. Donc, des dispositifs de stockage d'énergie massifs sont nécessaires pour accueillir toute l'énergie qui est générée lorsque le soleil brille et le vent souffle et ensuite pouvoir la débourser rapidement pendant les périodes de forte consommation d'énergie.
"Plus nous devenons meilleurs dans la récolte et le stockage de l'énergie, plus nous pourrons utiliser des sources d'énergie renouvelables de nature intermittente, " a déclaré Gogotsi. " Les batteries sont comme le silo du fermier - s'il n'est pas assez grand et construit de manière à préserver les récoltes, alors il pourrait être difficile de traverser un long hiver. Dans le secteur de l'énergie en ce moment, vous pourriez dire que nous essayons toujours de construire le bon silo pour notre récolte, et c'est là que les nanomatériaux peuvent aider. »
Les nanomatériaux permettent aux scientifiques de repenser la conception des batteries, qui joueront un rôle clé dans l'avenir du stockage d'énergie. Crédit :Université Drexel
Le correctif
Dénouer l'impasse du stockage d'énergie a été un objectif concerté pour les scientifiques qui appliquent les principes d'ingénierie à la création et à la manipulation de matériaux au niveau atomique. Leurs efforts au cours de la dernière décennie seulement, qui ont été soulignés dans le rapport, ont déjà amélioré les batteries qui alimentent les smartphones, ordinateurs portables et voitures électriques.
"Beaucoup de nos plus grandes réalisations dans le stockage d'énergie ces dernières années sont grâce à l'intégration de nanomatériaux, " a déclaré Gogotsi. " Les batteries lithium-ion utilisent déjà des nanotubes de carbone comme additifs conducteurs dans les électrodes de batterie pour les faire charger plus rapidement et durer plus longtemps. Et un nombre croissant de batteries utilisent des nanoparticules de silicium dans leurs anodes pour augmenter la quantité d'énergie stockée.
L'introduction des nanomatériaux est un processus progressif et nous verrons de plus en plus de matériaux nanométriques à l'intérieur des batteries à l'avenir. »
Conception de batterie, pendant longtemps, a été basée principalement sur la recherche de matériaux énergétiques progressivement meilleurs et sur leur combinaison pour stocker plus d'électrons. Mais, plus récemment, les développements technologiques ont permis aux scientifiques de concevoir les matériaux des dispositifs de stockage d'énergie pour mieux servir ces fonctions de transmission et de stockage.
Ce processus, appelée nanostructuration, introduit des particules, tuyaux, des flocons et des empilements de matériaux nanométriques en tant que nouveaux composants des batteries, condensateurs et supercondensateurs. Leur forme et leur structure atomique peuvent accélérer le flux d'électrons, le cœur de l'énergie électrique. Et leur grande surface offre plus de lieux de repos pour les particules chargées.
L'efficacité des nanomatériaux a même permis aux scientifiques de repenser la conception de base des batteries elles-mêmes. Avec des matériaux nanostructurés à conduction métallique garantissant que les électrons peuvent circuler librement pendant la charge et la décharge, les batteries peuvent perdre un peu de poids et de taille en éliminant les collecteurs de courant à feuille métallique qui sont nécessaires dans les batteries conventionnelles. Par conséquent, leur forme n'est plus un facteur limitant pour les appareils qu'ils alimentent.
Les batteries sont de plus en plus petites, charge plus rapide, durent plus longtemps et s'usent lentement, mais ils peuvent aussi être massifs, charger progressivement, stocker d'énormes quantités d'énergie pendant de longues périodes et la distribuer à la demande.
« C'est une période très excitante pour travailler dans le domaine des matériaux de stockage d'énergie à l'échelle nanométrique, " a déclaré Ekaterina Pomerantseva, Doctorat., professeur agrégé au College of Engineering et co-auteur de l'article. « Nous avons maintenant plus de nanoparticules disponibles que jamais - et avec des compositions différentes, formes et propriétés bien connues. Ces nanoparticules sont comme des blocs Lego, et ils doivent être assemblés de manière intelligente pour produire une structure innovante avec des performances supérieures à tout dispositif de stockage d'énergie actuel. Ce qui rend cette tâche encore plus captivante, c'est le fait que contrairement aux Legos, il n'est pas toujours clair comment différentes nanoparticules peuvent être combinées pour créer des architectures stables. Et comme ces architectures nanométriques souhaitées deviennent de plus en plus avancées, cette tâche devient de plus en plus difficile, déclenchant la pensée critique et la créativité des scientifiques.
Construire des architectures d'électrodes sophistiquées à l'aide de nanomatériaux nécessite des approches de fabrication innovantes, tels que le dépôt par pulvérisation. Crédit :Université Drexel
L'avenir
Gogotsi et ses coauteurs suggèrent que capitaliser sur la promesse des nanomatériaux nécessitera la mise à jour de certains processus de fabrication et la poursuite des recherches sur la façon d'assurer la stabilité des matériaux à mesure que leur taille augmente.
« Le coût des nanomatériaux par rapport aux matériaux conventionnels est un obstacle majeur, et des techniques de fabrication à faible coût et à grande échelle sont nécessaires, ", a déclaré Gogotsi. "Mais cela a déjà été accompli pour les nanotubes de carbone avec des centaines de tonnes de fabrication pour les besoins de l'industrie des batteries en Chine. Le prétraitement des nanomatériaux de cette manière permettrait l'utilisation des équipements actuels de fabrication de batteries. »
Ils notent également que l'utilisation de nanomatériaux éliminerait le besoin de certains matériaux toxiques qui ont été des composants clés des batteries. Mais ils suggèrent également d'établir des normes environnementales pour le développement futur des nanomatériaux.
« Chaque fois que les scientifiques envisagent de nouveaux matériaux pour le stockage de l'énergie, ils doivent toujours tenir compte de la toxicité pour l'homme et l'environnement, également en cas d'incendie accidentel, incinération ou mise en décharge, " a déclaré Gogotsi.
Qu'est-ce que tout cela signifie, selon les auteurs, est que la nanotechnologie rend le stockage d'énergie suffisamment polyvalent pour évoluer avec le changement d'approvisionnement en énergie que les politiques prospectives appellent.
