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Le potentiel du graphène pour les systèmes d'énergie renouvelable

Le potentiel du graphène pour les systèmes d'énergie renouvelable

La structure du graphène [Image:Sciences mathématiques et physiques UCL, Flickr]

Plus tôt cette année, fin janvier, les universités de Manchester et d'Abou Dhabi ont annoncé leur intention de collaborer à un projet de production de mousse contenant du graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeille 10 fois plus résistant que l'acier mais 1000 fois plus léger qu'une feuille de papier par unité de surface.

Le graphène a été découvert pour la première fois dans un laboratoire de l'Université de Manchester en 2004 après des années de tentatives de la part de scientifiques pour produire une seule couche de carbone et beaucoup de théorisation, observé au microscope électronique en 1962. Les professeurs Andre Geim et Konstantin Novoselov ont utilisé un processus appelé le ' technique du scotch tape 'dans laquelle du scotch a été utilisé à plusieurs reprises pour décoller les couches de graphène d'un morceau de graphite jusqu'à ce qu'il ne reste qu'une seule couche d'atomes. Cela a valu aux deux scientifiques un prix Nobel en 2010.

Dans un proche avenir, le graphène pourrait potentiellement être utilisé pour des composants électriques et d'autres éléments tels que des capteurs, des batteries, des composites, des membranes échangeuses d'ions et d'autres produits. L'équipe de recherche se concentrera sur trois projets impliquant du graphène et des matériaux bidimensionnels qui pourraient être utilisés dans une gamme d'applications. L'un des projets développera une technique d'impression jet d'encre à faible coût pour la construction de micro-capteurs. Ceux-ci pourraient ensuite être utilisés dans le secteur de l'énergie et pour des applications militaires. Un autre projet examinera le potentiel d'utilisation du graphène dans le dessalement de l'eau.

Le professeur Brian Derby de l'Université de Manchester, s'adressant à The Engineer, a expliqué que l'avantage d'utiliser du graphène dans les électrodes de batterie, pour ne citer qu'un exemple, est qu'il a une très grande surface et n'a pourtant qu'un seul atome d'épaisseur. Cependant, pour que le matériau soit utile, les couches d'épaisseur atomique doivent être emballées dans un objet 3D. C'est pourquoi les chercheurs tenteront de produire de la mousse à partir de graphène afin de développer des moyens de conditionner le matériau afin qu'il puisse être assemblé dans l'espace tout en conservant au maximum sa surface. L'équipe espère également développer des composites dans lesquels des flocons de graphène sont dispersés dans une matrice polymère, créant ainsi un composite solide mais toujours utilisable.

Recherche sur le graphène à l'Université d'Exeter, Royaume-Uni [Image:Université d'Exeter, Flickr]

Comment le graphène pourrait-il profiter au secteur des énergies renouvelables?

En 2011, les ingénieurs de l'Université Northwestern ont découvert que les anodes en graphène retenaient mieux l'énergie que le graphite, permettant ainsi une charge dix fois meilleure de la batterie, avec des applications potentielles, notamment l'utilisation dans les véhicules électriques (VE). En 2013, des chercheurs de l'Université Rice au Texas ont prédit que le graphène, avec l'ajout de quelques atomes de bore, pourrait être utilisé pour produire une anode flexible ultra-mince pour les batteries lithium-ion. Le bore aide les ions lithium à adhérer au graphène, contribuant ainsi à fournir une charge rapide.C'est pourquoi la recherche de l'Université Rice a été menée en association avec Honda, l'un des nombreux constructeurs automobiles produisant actuellement de nouveaux modèles de véhicules électriques. D'autres sociétés, telles que Kia et Hyundai, ont manifesté de l'intérêt pour le matériau, les deux sociétés déposant des brevets pour l'utilisation du graphène dans les piles à combustible.

Les chercheurs de l'Université Rice ont également découvert que le graphène mélangé à de l'oxyde de vanadium peut être utilisé pour développer des cathodes haute performance et rentables qui peuvent être rechargées en 20 secondes et conserver plus de 90% de leur capacité après une utilisation intensive. Le graphène peut également être utilisé pour les supercondensateurs et les chercheurs de l'UCLA ont découvert qu'il pouvait être appliqué sur un DVD. Un graveur de DVD peut ensuite être utilisé pour inscrire des millions de circuits de supercondensateurs dans la couche de graphène qui peuvent ensuite être décollés et utilisés par toute personne nécessitant une batterie super alimentée. Des scientifiques suédois ont également découvert que la maghémite, un type d'oxyde de fer similaire au minerai rouge, peut être ajoutée au graphène, ce qui en fait un nanoscroll. Ceux-ci peuvent ensuite être utilisés comme électrodes dans les batteries lithium-ion.

Le professeur Forsyth de l’école de génie électrique et électronique de l’université de Manchester estime que le graphène peut contribuer à accroître l’efficacité des véhicules électriques en réduisant le poids des batteries qui peuvent actuellement peser environ 200 kilogrammes. Cela aiderait également à étendre la portée des véhicules électriques au-delà de 100 kilomètres, l'anxiété de portée étant actuellement le principal facteur retardant leur adoption. Cependant, l’utilisation du graphène dans les batteries pourrait également stimuler le secteur du stockage de l’énergie, l’Université de Manchester ayant elle-même testé un système de batterie et de convertisseur à l’échelle du réseau sur son campus.

Mercedes SLS AMG E-cell au salon de Genève [Image:Cédric Ramirez, Flickr]

En ce qui concerne le solaire photovoltaïque, le graphène peut être utilisé pour développer des revêtements antireflet pour les cellules solaires, des chercheurs indiens ayant découvert que le matériau peut réduire la réflectance près de la partie ultraviolette du spectre solaire de 35% à 15% seulement. Silvija Gradečak du Massachusetts Institute of Technology (MIT) a également découvert que le graphène dans les cellules photovoltaïques peut offrir une efficacité de conversion de puissance plus élevée, tandis que d'autres chercheurs de l'Université technologique du Michigan ont découvert que le graphène peut remplacer le platine dans les électrodes de cellules solaires sans perte d'efficacité.

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Une autre utilisation potentielle du matériau est le remplacement de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) dans les cellules solaires. C'est un matériau rare et coûteux. Il est actuellement utilisé pour les électrodes transparentes mais il est également très cassant. Les scientifiques du MIT espèrent développer une nouvelle cellule solaire à base de graphène et de bisulfure de molybdène, résultant en une cellule solaire mince et légère avec une efficacité 1000 fois supérieure à celle des panneaux de silicium conventionnels.

Dans les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV), le graphène pourrait aider à réduire le coût de l'hydrogène renouvelable, ce qui signifierait à son tour plus de stations à hydrogène en raison de coûts de traitement inférieurs. Les scientifiques de l'Université Rice ont montré que le graphène dopé à l'azote et augmenté de cobalt était un catalyseur efficace et durable pour la production d'hydrogène à partir de l'eau, remplaçant le platine coûteux.

Jusqu'à présent, les deux principales applications d'énergie renouvelable du graphène semblent donc être les cellules solaires et les batteries pour véhicules électriques, bien que le marché global du matériau représente désormais plus de 9 millions de dollars pour les semi-conducteurs, l'électronique, les batteries et les composites.

Le nouveau centre d'innovation en ingénierie du graphène (GEIC) de l'Université de Manchester [Image:Université de Manchester]

Le Royaume-Uni est maintenant en avance dans ce domaine, l'Université de Manchester étant maintenant sur la bonne voie pour la construction d'un deuxième centre de recherche spécialisé sur le graphène qui vient d'obtenir un permis de construire le 15e Février. Le Centre d'innovation en ingénierie du graphène (GEIC) se concentrera sur le développement et l'application de produits à base de graphène, en coopération avec le National Graphene Institute (NGI) et le projet Sir Henry Royce Institute for Advanced Material Research afin de permettre le développement du graphène à partir de recherche initiale sur les produits finis, faisant ainsi de Manchester un pôle mondial de premier plan pour la recherche sur le graphène. L’accent sera mis sur l’amélioration des matériaux existants et l’ouverture de nouveaux marchés grâce au financement du GEIC, largement fourni par la société d’énergie renouvelable d’Abou Dhabi Masdar et le Higher Education Funding Council for England’s UK Research Partnership Investment Fund (UKRPIF). Le centre devrait être achevé d'ici la fin de 2017.


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