De la poubelle au trésor : exploiter les déchets industriels pour stocker de l'énergie
Première utilisation d'un déchet organique indésirable dans la recherche sur les batteries à flux redox
Les batteries utilisées dans nos téléphones, nos appareils et même nos voitures reposent sur des métaux tels que le lithium et le cobalt, qui proviennent d'une exploitation minière intensive et invasive. Étant donné que de plus en plus de produits commencent à dépendre de systèmes de stockage d'énergie basés sur des batteries, l'abandon des solutions à base de métaux sera essentiel pour faciliter la transition vers l'énergie verte.
Emily Mahoney travaille sur la production de batteries à flux redox.
Malapit Lab/Northwestern University
Une équipe de l'université Northwestern a transformé un déchet organique industriel en un agent de stockage efficace pour des solutions énergétiques durables qui pourront un jour être appliquées à plus grande échelle. Alors que de nombreuses itérations de ces piles, appelées piles à flux redox, sont en production ou font l'objet de recherches pour des applications à l'échelle du réseau, l'utilisation d'une molécule de déchet - l'oxyde de triphénylphosphine (TPPO) - constitue une première dans ce domaine.
Des milliers de tonnes de ce sous-produit chimique bien connu sont produites chaque année par de nombreux processus de synthèse industrielle organique - y compris la production de certaines vitamines, entre autres - mais elles sont rendues inutiles et doivent être soigneusement éliminées après la production.
Dans un article publié dans le Journal of the American Chemical Society, une réaction en une seule étape permet aux chimistes de transformer le TPPO en un produit utilisable doté d'un puissant potentiel de stockage de l'énergie, ce qui ouvre la voie à la viabilité des piles organiques à flux redox dérivées des déchets, un type de pile imaginé depuis longtemps.
"La recherche sur les batteries est traditionnellement dominée par les ingénieurs et les spécialistes des matériaux", explique Christian Malapit, chimiste à Northwestern et auteur principal de l'étude. "Les chimistes de synthèse peuvent contribuer à ce domaine en transformant par ingénierie moléculaire un déchet organique en une molécule capable de stocker de l'énergie. Notre découverte illustre le potentiel de transformation des déchets en ressources précieuses, offrant une voie durable pour l'innovation dans la technologie des batteries".
M. Malapit est professeur adjoint au département de chimie du Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.
Le marché des batteries à flux redox, qui ne représente actuellement qu'une petite partie du marché des batteries, devrait augmenter de 15 % entre 2023 et 2030 pour atteindre une valeur de 700 millions d'euros à l'échelle mondiale. Contrairement aux batteries au lithium et aux autres batteries à l'état solide qui stockent l'énergie dans des électrodes, les batteries à flux redox utilisent une réaction chimique pour pomper l'énergie dans un sens et dans l'autre entre les électrolytes, où leur énergie est stockée. Bien qu'elles ne soient pas aussi efficaces pour le stockage de l'énergie, les batteries à flux redox sont considérées comme de bien meilleures solutions pour le stockage de l'énergie à l'échelle d'un réseau.
"Non seulement une molécule organique peut être utilisée, mais elle peut également atteindre une densité énergétique élevée - se rapprochant de ses concurrents à base de métal - ainsi qu'une grande stabilité", a déclaré Emily Mahoney, candidate au doctorat dans le laboratoire de Malapit et premier auteur de l'article. "Ces deux paramètres sont traditionnellement difficiles à optimiser ensemble, c'est pourquoi il est particulièrement intéressant de pouvoir le démontrer pour une molécule dérivée des déchets.
Pour obtenir à la fois la densité énergétique et la stabilité, l'équipe devait identifier une stratégie permettant aux électrons de se regrouper étroitement dans la solution sans perdre leur capacité de stockage au fil du temps. Ils se sont tournés vers le passé et ont trouvé un article de 1968 décrivant l'électrochimie des oxydes de phosphine et, selon M. Mahoney, ils ont "fait comme si de rien n'était".
Ensuite, pour évaluer la résistance de la molécule en tant qu'agent potentiel de stockage d'énergie, l'équipe a effectué des tests à l'aide d'expériences de charge et de décharge électrochimiques statiques, semblables au processus de chargement d'une batterie, d'utilisation de la batterie, puis de nouveau de chargement, encore et encore. Après 350 cycles, la batterie a conservé une santé remarquable, perdant une capacité négligeable au fil du temps.
"C'est la première fois que l'on utilise des oxydes de phosphine - un groupe fonctionnel de la chimie organique - comme composant redox-actif dans la recherche sur les batteries", a déclaré M. Malapit. "Traditionnellement, les oxydes de phosphine réduits sont très instables. Notre approche d'ingénierie moléculaire s'attaque à cette instabilité, ouvrant la voie à leur application dans le stockage de l'énergie."
En attendant, le groupe espère que d'autres chercheurs prendront le relais et commenceront à travailler avec l'OPPT afin d'optimiser et d'améliorer son potentiel.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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