Avec de la cellulose de bois, Des chercheurs du Nord-Est ont créé un nouveau matériau biodégradable pour améliorer les batteries à flux et réduire le coût de stockage de l'énergie à partir de sources renouvelables. Crédit :Ruby Wallau/Université Northeastern
La nature n'est pas toujours généreuse avec ses secrets. C'est pourquoi certains chercheurs recherchent des endroits inhabituels pour trouver des solutions à nos défis les plus difficiles, d'antibiotiques puissants cachés dans les entrailles de petits vers, aux robots rapides inspirés des chauves-souris.
Maintenant, Les chercheurs du nord-est se sont tournés vers les arbres pour chercher des moyens de fabriquer de nouveaux matériaux durables à partir de ressources naturelles abondantes, en particulier, dans la structure chimique des microfibres qui composent le bois.
Une équipe dirigée par Hongli (Julie) Zhu, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à Northeastern, utilise des nanomatériaux uniques dérivés de la cellulose pour améliorer le type de batteries volumineuses et coûteuses nécessaires pour stocker l'énergie renouvelable exploitée à partir de sources telles que la lumière du soleil et le vent.
Cellulose, le polymère naturel le plus abondant sur Terre, est également le composant structurel le plus important des plantes. Il contient des structures moléculaires importantes pour améliorer les batteries, réduire la pollution plastique, et alimenter le type de réseaux électriques qui pourraient alimenter des communautés entières avec des énergies renouvelables, dit Zhu.
"Nous essayons d'utiliser des polymères du bois, de l'écorce, à partir de graines, de fleurs, bactéries, thé vert - à partir de ce genre de plantes pour remplacer le plastique, " dit Zhu.
L'un des principaux défis du stockage de l'énergie solaire, vent, et d'autres types d'énergies renouvelables est que la variation de facteurs tels que les conditions météorologiques conduit à des sources d'énergie incohérentes.
Hogli (Julie) Zhu, professeur assistant en génie mécanique et industriel, teste les dispositifs les plus avancés pour stocker les énergies renouvelables, qui se composent de deux solutions différentes d'ions vanadium qui sont continuellement pompées à travers une batterie. Pour que la batterie se charge et se décharge efficacement, les solutions doivent être séparées par une membrane spéciale sélective d'ions. Crédit :Ruby Wallau/Université Northeastern
C'est là qu'interviennent les batteries de grande capacité. Mais stocker les grandes quantités d'énergie que la lumière du soleil et le vent sont capables de fournir nécessite un type d'appareil spécial.
Les batteries les plus avancées pour ce faire sont appelées batteries à flux, et sont fabriqués avec des ions vanadium dissous dans de l'acide dans deux réservoirs séparés, l'un avec une substance d'ions chargés négativement, et un avec des positifs. Les deux solutions sont pompées en continu du réservoir dans une cellule, qui fonctionne comme un moteur pour la batterie.
Ces substances sont toujours séparées par une membrane spéciale qui garantit qu'elles échangent des ions hydrogène positifs sans s'écouler les unes dans les autres. Cet échange sélectif d'ions est à la base de la capacité de la batterie à charger et à décharger de l'énergie.
Les batteries Flow sont des dispositifs idéaux pour stocker l'énergie solaire et éolienne, car elles peuvent être modifiées pour augmenter la quantité d'énergie stockée sans compromettre la quantité d'énergie pouvant être générée. Plus les réservoirs sont gros, plus la batterie peut stocker d'énergie à partir de ressources non polluantes et pratiquement inépuisables.
Mais leur fabrication nécessite plusieurs pièces mobiles de matériel. Au fur et à mesure que la membrane séparant les deux substances en écoulement se désintègre, il peut provoquer le mélange des ions vanadium de la solution. Ce croisement réduit la stabilité d'une batterie, ainsi que sa capacité à stocker de l'énergie.
Zhu dit que l'efficacité limitée de cette membrane, combiné à son coût élevé, sont les principaux facteurs qui empêchent les batteries à flux d'être largement utilisées dans les réseaux à grande échelle.
Hogli Zhu, professeur assistant en génie mécanique et industriel, a créé une membrane bio-inspirée utilisant des nanofibres dérivées du bois pour les batteries à grande échelle. Crédit :Ruby Wallau/Université Northeastern
Dans un article récent, Zhu a signalé qu'une nouvelle membrane faite de nanocristaux de cellulose démontre une efficacité supérieure par rapport aux autres membranes couramment utilisées sur le marché. L'équipe a testé différentes membranes fabriquées à partir de nanocristaux de cellulose pour rendre les batteries à flux moins chères.
"Le coût de notre membrane par mètre carré est de 147,68 dollars américains, " Zhu dit, ajoutant que ses calculs n'incluent pas les coûts associés à la commercialisation. « Le devis de la membrane Nafion commercialisée est de 1 $, 321 par mètre carré."
Leurs tests ont également montré que les membranes, réalisé avec le soutien de la Rogers Corporation et de son centre d'innovation du Kostas Research Institute de Northeastern, peut offrir des durées de vie de batterie considérablement plus longues que les autres membranes.
La membrane d'origine naturelle de Zhu est particulièrement efficace car sa structure cellulaire contient des milliers de groupes hydroxyle, qui impliquent des liaisons d'hydrogène et d'oxygène qui facilitent le transport de l'eau dans les plantes et les arbres.
Dans les batteries à flux, que la composition moléculaire accélère le transport des protons lorsqu'ils traversent la membrane.
La membrane est également constituée d'un autre polymère connu sous le nom de poly(fluorure de vinylidène-hexafluoropropylène), ce qui empêche les acides chargés négativement et positivement de se mélanger les uns avec les autres.
En raison de la structure cellulaire robuste fournie par la cellulose, qui aide les plantes et les arbres à survivre, La nouvelle membrane de Zhu sélectionne et échange des ions pour améliorer l'efficacité des batteries à flux de vanadium. Crédit :Ruby Wallau/Université Northeastern
« Pour ces matériaux, l'un des défis est qu'il est difficile de trouver un polymère conducteur de protons et qui soit également un matériau très stable dans l'acide qui coule, " dit Zhu.
Parce que ces matériaux sont pratiquement partout, les membranes fabriquées avec celui-ci peuvent être facilement assemblées à grande échelle pour les réseaux électriques complexes.
Contrairement à d'autres matériaux artificiels coûteux qui doivent être concoctés en laboratoire, la cellulose peut être extraite de sources naturelles comme les algues, déchets solides, et les bactéries.
"Beaucoup de matériaux dans la nature sont des composites, et si nous désintégrons ses composants, on peut l'utiliser pour extraire de la cellulose, " dit Zhu. " Comme les déchets de notre jardin, et beaucoup de déchets solides dont on ne sait pas toujours quoi faire."
