Une recherche menée par un scientifique de Stanford promet d'augmenter les performances des dispositifs de stockage électrique haute puissance, comme les batteries de voiture.

Dans un ouvrage publié cette semaine dans Lettres de physique appliquée , les chercheurs décrivent un modèle mathématique pour concevoir de nouveaux matériaux pour stocker l'électricité. Le modèle pourrait être un énorme avantage pour les chimistes et les scientifiques des matériaux, qui s'appuient traditionnellement sur des essais et des erreurs pour créer de nouveaux matériaux pour les batteries et les condensateurs. L'avancement de nouveaux matériaux pour le stockage de l'énergie est une étape importante vers la réduction des émissions de carbone dans les secteurs des transports et de l'électricité.

"Le potentiel ici est que vous pourriez construire des batteries qui durent beaucoup plus longtemps et les rendre beaucoup plus petites, " a déclaré le co-auteur de l'étude Daniel Tartakovsky, professeur à l'École de la Terre, Sciences de l'énergie et de l'environnement. "Si vous pouviez concevoir un matériau avec une capacité de stockage bien supérieure à ce que nous avons aujourd'hui, alors vous pourriez améliorer considérablement les performances des batteries."

Abaisser une barrière

L'un des principaux obstacles à la transition des combustibles fossiles vers les énergies renouvelables est la capacité de stocker de l'énergie pour une utilisation ultérieure, comme pendant les heures où le soleil ne brille pas dans le cas de l'énergie solaire. Demande de bon marché, le stockage efficace a augmenté à mesure que de plus en plus d'entreprises se tournent vers les sources d'énergie renouvelables, qui offrent d'importants avantages pour la santé publique.

Tartakovsky espère que les nouveaux matériaux développés grâce à ce modèle amélioreront les supercondensateurs, un type de stockage d'énergie de nouvelle génération qui pourrait remplacer les batteries rechargeables dans les appareils de haute technologie comme les téléphones portables et les véhicules électriques. Les supercondensateurs combinent le meilleur de ce qui est actuellement disponible pour le stockage d'énergie - batteries, qui retiennent beaucoup d'énergie mais se chargent lentement, et condensateurs, qui se chargent rapidement mais retiennent peu d'énergie. Les matériaux doivent pouvoir résister à la fois à une forte puissance et à une forte énergie pour éviter la rupture, exploser ou prendre feu.

« Les batteries actuelles et autres dispositifs de stockage sont un goulot d'étranglement majeur pour la transition vers une énergie propre, " a déclaré Tartakovsky. " Il y a beaucoup de gens qui travaillent là-dessus, mais il s'agit d'une nouvelle approche pour examiner le problème. »

Les types de matériaux largement utilisés pour développer le stockage d'énergie, connus sous le nom de matériaux nanoporeux, semblent solides à l'œil humain mais contiennent des trous microscopiques qui leur confèrent des propriétés uniques. Développer de nouveaux, peut-être de meilleurs matériaux nanoporeux ont, jusqu'à maintenant, été une question d'essais et d'erreurs - en organisant de minuscules grains de silice de différentes tailles dans un moule, remplir le moule avec une substance solide puis dissoudre les grains pour créer un matériau contenant de nombreux petits trous. La méthode nécessite une planification approfondie, la main d'oeuvre, expérimentation et modifications, sans garantir le résultat final sera la meilleure option possible.

"Nous avons développé un modèle qui permettrait aux chimistes des matériaux de savoir à quoi s'attendre en termes de performances si les grains sont disposés d'une certaine manière, sans passer par ces expériences, " a déclaré Tartakovsky. " Ce cadre montre également que si vous organisez vos grains comme le suggère le modèle, alors vous obtiendrez les performances maximales."

Au-delà de l'énergie

L'énergie n'est qu'une industrie qui utilise des matériaux nanoporeux, et Tartakovsky a dit qu'il espère que ce modèle sera applicable dans d'autres domaines, également.

"Cette application particulière est pour le stockage électrique, mais vous pouvez aussi l'utiliser pour le dessalement, ou toute purification membranaire, " a-t-il dit. " Le cadre vous permet de gérer différentes chimies, afin que vous puissiez l'appliquer à tous les matériaux poreux que vous concevez."

La recherche en modélisation mathématique de Tartakovsky couvre les neurosciences, développement urbain, médecine et plus encore. En tant que scientifique de la Terre et professeur d'ingénierie des ressources énergétiques, il est expert dans l'écoulement et le transport de milieux poreux, des connaissances souvent sous-utilisées dans toutes les disciplines, il a dit. L'intérêt de Tartakovsky pour l'optimisation de la conception des batteries est né d'une collaboration avec une équipe d'ingénierie des matériaux de l'Université de Nagasaki au Japon.

"Ce collaborateur japonais n'avait jamais pensé à parler à des hydrologues, " a déclaré Tartakovsky. " Ce n'est pas évident à moins que vous ne fassiez des équations - si vous faites des équations, alors vous comprenez que ce sont des problèmes similaires."