Les coques de riz brûlées pourraient aider les batteries à stocker davantage de charge
De nouvelles recherches ont permis de découvrir du carbone dur dans les cendres de coques de riz, offrant ainsi une source domestique bon marché pour remplacer le graphite dans les batteries.
Un examen plus approfondi des cendres provenant de coques de riz brûlées, la couche extérieure dure des grains de riz, a révélé une forme de carbone qui pourrait presque doubler la densité énergétique des batteries lithium-ion ou sodium-ion typiques.
Cette source durable de carbone "dur", qui surpasse le graphite ordinaire dans les électrodes des batteries, a été découverte à l'université du Michigan.
Il s'agit de la première démonstration de carbone dur fabriqué par combustion. On pensait auparavant que le carbone dur ne pouvait être produit qu'en chauffant la biomasse, telle que les déchets agricoles, à environ 1200 °C (2200 °F) dans un environnement sans oxygène comme l'azote ou l'argon.
Plutôt que d'importer du graphite extrait de Chine ou du Mexique, les cendres de coques de riz pourraient fournir un matériau national de meilleure qualité pour la fabrication d'électrodes de batteries. Le processus est également plus durable que la production de graphite à partir de la biomasse, qui doit être chauffée à 2000°C (3600°F) ou plus, produisant cinq à dix tonnes deCO2 pour chaque tonne de graphite de qualité batterie.
Bien que la plupart des coques de riz finissent dans des décharges, leur combustion constitue une source d'électricité neutre en carbone. Wadham Energy LP, dans la vallée du Sacramento en Californie, produit 200 000 mégawattheures d'électricité par an en brûlant ce sous-produit agricole, soit suffisamment d'énergie pour alimenter environ 22 000 foyers.
"LeCO2 libéré lors de la combustion des balles de riz provient du mêmeCO2 que la plante de riz a absorbé de l'atmosphère pendant la photosynthèse, ce qui rend l'électricité produite verte et neutre en carbone", a déclaré Richard Laine, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de science et d'ingénierie macromoléculaires à l'U-M, et auteur correspondant de l'étude récemment publiée dans Advanced Sustainable Systems (Systèmes durables avancés).
Avec environ 20 milliards de livres de riz cultivées chaque année aux États-Unis, il y a beaucoup de place pour passer à l'échelle supérieure.
Dans des travaux antérieurs, l'équipe de recherche a démontré des méthodes permettant d'éliminer partiellement la silice contenue dans les cendres de la balle de riz, qui contient environ 90 % de silice et 10 % de carbone. Cette silice peut être utilisée pour produire du silicium de haute pureté utilisé dans les cellules solaires ou les semi-conducteurs. Une fois la silice partiellement retirée des cendres de riz par un processus appelé dépolymérisation, les cendres restantes contiennent environ 60 à 70 % de carbone.
On pensait que le carbone restant était informe et désorganisé, un matériau appelé carbone amorphe, d'après les motifs créés par les rayons X qui traversent le matériau. Cependant, des techniques de spectroscopie spécialisées dans les détails au niveau moléculaire ont révélé de minuscules îlots de graphite existant à l'échelle nanométrique (un nanomètre correspond à un milliardième de mètre) au sein de la matrice de carbone amorphe. Ce mélange de carbone amorphe parsemé de graphite est appelé carbone dur.
"Dans ce cas, le carbone dur peut être produit par combustion, car en brûlant le carbone des écales de riz, on crée une coquille de silice autour du carbone restant et on le cuit comme une tarte", a expliqué M. Laine.
En testant les propriétés électrochimiques du carbone dur obtenu à partir de cendres de coques de riz, on a constaté qu'il était plus performant que le carbone dur commercial et le graphite en tant qu'anode d'une batterie lithium-ion, c'est-à-dire le point où la charge s'écoule de la batterie.
Un gramme de carbone dur commercial accepte suffisamment de lithium pour stocker environ 500 milliampères-heure (mAh), une unité de charge électrique souvent utilisée pour décrire la capacité de stockage d'une batterie. En revanche, un gramme de graphite accepte environ 370 mAh, ce qui signifie que les batteries au carbone dur ont une densité énergétique supérieure de 50 %. Le carbone dur à base de cendres de riz dépasse ces deux caractéristiques, avec une capacité de stockage de plus de 700 mAh, soit près du double de celle du graphite.
On pense que la structure nanoporeuse du carbone dur isolé contribue à l'augmentation de la capacité de stockage du lithium.
En transformant les déchets agricoles en un produit de valeur, le carbone dur issu des cendres de balle de riz peut contribuer à répondre à la demande croissante de batteries destinées aux véhicules électriques et au stockage des énergies renouvelables intermittentes, tout en réduisant à la fois les coûts et les émissions.
L'équipe a déposé une demande de brevet avec l'aide de U-M Innovation Partnerships et recherche des partenaires pour commercialiser la technologie.
L'Institut de technologie de Karlsruhe, en Allemagne, a également participé à cette recherche par l'intermédiaire de Sylvio Indris, qui en est le coauteur. Wadham Energy a fourni les cendres de coques de riz utilisées dans la recherche.
Le processus a été étudié en partie au Michigan Center for Materials Characterization. Les travaux menés à l'université du Michigan ont été principalement financés par la National Science Foundation et par Mercedes-Benz Research & Development North America.
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