(Phys.org) - Les tanins sont peut-être mieux connus pour leur présence dans le vin rouge et le thé, mais dans une nouvelle étude, des chercheurs ont démontré pour la première fois que les tanins de l'écorce des arbres peuvent également servir de matériaux de cathode de batterie. Comme l'écorce des arbres contient environ 15 % de tanins en poids, les tanins sont naturellement abondants, ce qui est un facteur qui en fait un matériau prometteur pour la conception durable, à bas prix, sans métal, batteries hautes performances.

Outre leur large disponibilité, une autre raison pour laquelle les tanins semblent être un matériau de batterie si prometteur est leur taux élevé de phénol - ils ont la teneur en phénol la plus élevée parmi tous les polymères produits par des organismes vivants. Des niveaux élevés de phénol sont importants car le mécanisme de stockage de charge primaire de la batterie à base de tanin est une réaction chimique réversible dans laquelle le phénol est converti en quinone.

Les chercheurs, dirigé par Hongli Zhu à la Northeastern University de Boston, avec la doctorante Alolika Mukhopadhyay en tant qu'auteur principal et co-auteurs du National Renewable Energy Laboratory à Golden, Colorado, ont publié un article sur la cathode de la batterie au tanin dans un récent numéro de Lettres nano .

"Le plus grand avantage de l'utilisation d'un tanin polymère renouvelable est que la nature produit une énorme quantité de tanin, qui peut être extrait de l'écorce sous-utilisée avec un coût et des efforts minimes, " Zhu a dit Phys.org . "Les groupes hydroxyles phénoliques redox-actifs des tanins sont plus de 5000 fois plus élevés que la lignine, qui était auparavant considéré comme le biopolymère le plus prometteur pour le stockage électrochimique de l'énergie. En raison du faible poids moléculaire significatif du tanin et de la teneur extrêmement élevée en hydroxyle phénolique, le réseau interpénétrant de tanins et de polypyrrole montre une performance électrochimique exceptionnelle. Nous pensons que le tanin est le nouveau champion des biopolymères naturels à activité redox."

Dans les expériences, les chercheurs ont démontré qu'un type de tanin appelé « ellagitanin » extrait de l'écorce d'un châtaignier peut être utilisé pour fabriquer des cathodes de batterie pour des batteries qui présentent d'excellentes performances globales, y compris une grande capacité et une densité d'énergie élevée. La conception se compose d'ellagitanin combiné avec le polypyrrole polymère pour une conductivité élevée, qui est placé sur un substrat de bois carbonisé.

Le substrat en bois contribue également aux bonnes performances de la batterie en raison des canaux fortement alignés dans sa structure cellulaire. Ces chaînes, que la plante utilisait autrefois pour transporter l'eau et les nutriments, sont maintenant utilisés pour transporter des électrons et des ions dans la nouvelle batterie.

Bien que la fabrication de batteries à partir de tanins représente un grand changement par rapport à l'utilisation de matériaux métalliques conventionnels tels que le lithium, le composé naturel peut offrir des solutions à deux des plus grands défis auxquels sont confrontés les futurs systèmes de stockage d'énergie :la pénurie de matériaux métalliques et le coût élevé de la synthèse des matériaux. Comme les chercheurs le démontrent dans la nouvelle étude, les tanins naturels peuvent être purifiés à faible coût pour leur utilisation dans les batteries.

Des recherches antérieures ont indiqué que d'autres matériaux à base de plantes semblent également prometteurs en tant que matériaux de batterie alternatifs. Un biopolymère qui a été largement étudié est la lignine, qui se trouve dans les parois cellulaires des plantes et donne au bois et à l'écorce leur structure rigide. Bien qu'abondant, la lignine a un poids moléculaire élevé par rapport à sa teneur en phénol relativement faible. Comme la teneur en phénol détermine en grande partie les performances électrochimiques, comme la densité énergétique et la capacité de stockage, la faible teneur en phénol de la lignine limite les performances potentielles des batteries à base de lignine.

L'un des plus grands avantages des tanins est qu'ils ont un poids moléculaire inférieur à celui de la lignine, alors que leur teneur en phénol est de 5, 000 fois plus élevé. Ces différences offrent la possibilité de fabriquer des batteries avec des densités d'énergie et des capacités beaucoup plus élevées.

Alors que les chercheurs viennent de commencer à étudier le potentiel des tanins dans les batteries, ils s'attendent à ce qu'il soit possible d'améliorer encore les performances de ces batteries à l'avenir.

"La capacité de stockage de charge du tanin est élevée, " dit Zhu. " Cependant, la solubilité aqueuse intrinsèquement élevée du tanin a conduit à la perte de matière efficace, causant une perte de capacité au fil du temps. Par conséquent, nous essayons de modifier chimiquement le tanin pour garantir une performance stable et sûre dans un environnement difficile."

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