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Les batteries lithium-air boostées par des virus génétiquement modifiés

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Pour améliorer les caractéristiques des batteries lithium-air (Li-O2), des chercheurs ont augmenté la surface des cathodes en utilisant des virus génétiquement modifiés. Ces agents infectieux interviennent lors de la construction de l'électrode, en capturant puis en assemblant des ions métalliques présents dans le milieu ambiant. Leur utilisation procure plusieurs avantages.

Sur cette image, les picots en bleu correspondent à des oxydes de manganèse qui ont été assemblés par des virus, de manière à augmenter la surface de la cathode d'une batterie Li-O2. Pour leur part, les boules argentées sont des particules de palladium. © MIT

Les voitures électriques actuelles sont en grande majorité équipées de batteries lithium-ion qui offrent une autonomie toute relative (entre 100 et 300 km, voire 400 km pour quelques modèles). Pour améliorer ces performances, des laboratoires travaillent actuellement sur le développement d’accumulateurs offrant de meilleures capacités, pour un poids identique ou réduit. Un candidat se démarque très nettement des autres, grâce au fort potentiel redox (réduction oxydation) du couple lithium-air (Li-O2).

Le problème, c'est que les batteries Li-O2 souffrent de défauts qui interdisent leur commercialisation. Par exemple, elles se composent de matériaux coûteux et peu durables, notamment au niveau de leurs électrodes. De plus, elles se dégradent rapidement d'elles-mêmes après quelques dizaines de charges et de décharges, tandis que les accumulateurs Li-ion ne se détériorent qu'après plusieurs milliers de cycles. Heureusement, de nombreuses avancées tendent à faire changer les choses.

La dernière en date nous vient de l'Institut de technologie du Massachusetts (MIT, États-Unis), où des chercheurs ont réussi à améliorer les performances d'une batterie Li-O2 à l'aide... de virus génétiquement modifiés ! L'information a été dévoilée dans la revue Nature Communications par Dahyun Oh et ses collaborateurs. Mais que viennent faire ces agents biologiques infectieux dans l'histoire ?

Angela Belcher présente, en anglais, les caractéristiques des nanocâbles manufacturés par des virus bactériophages M13, et qui composent la cathode d'une batterie Li-O2 expérimentale. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, lancez la vidéo, puis cliquez sur le rectangle blanc avec deux traits horizontaux en bas à droite de l'image. Activez ensuite les sous-titres. Cliquez ensuite sur « anglais », puis sur « traduire les sous-titres », ce qui fait apparaître le menu du choix de la langue. Choisissez « français », puis « OK ». © MITNewsOffice, YouTube

Des nanofils d’origine virale plus rugueux

Les travaux menés au MIT se focalisent sur la cathode des batteries Li-O2, donc sur l'élément où a lieu le dépôt puis la décomposition des produits issus de la décharge. Dans ce contexte, la souche virale M13 a été utilisée pour sa capacité à capturer des particules métalliques en suspension dans un milieu aqueux (ici des ions manganèse Mn2+), avant de les assembler sur des structures filaires de taille nanométrique, dont l'enchevêtrement forme au final la cathode.

Le dernier dépôt se compose d'oxydes de manganèse, soit le matériau préféré pour la cathode par la plupart des chimistes qui travaillent sur les accumulateurs lithium-air. En dernier lieu, du palladium a été ajouté au dispositif (3 à 5 % du poids total) de manière à augmenter la conductivité des nanocâbles, et ainsi les aider à catalyser les réactions à la surface de la cathode.

Qu'apportent donc les virus par rapport à d'autres techniques chimiques de production de nanofils ? C'est simple : leurs constructions ne sont pas lisses, bien au contraire. Elles sont rugueuses, voire épineuses. Ainsi, les structures d'origine virale présentent une plus grande surface par unité de longueur, ce qui augmente l'activité électrochimique qui peut avoir lieu à leur surface lors des charges et des décharges.

Cathodes virales construites à température ambiante

L'utilisation des virus procure d'autres avantages par rapport aux techniques de production chimiques. Par exemple, les entités biologiques travaillent à température ambiante, tandis que ses concurrentes nécessitent de hautes températures, ce qui augmente considérablement les coûts de production. Par ailleurs, les cathodes biosynthétisées seraient plus résistantes que les autres grâce aux interconnexions établies entre les composés assemblés par les virus. Enfin, cette approche utilise moins de métaux que celles envisagées par d'autres laboratoires. De quoi réduire une fois de plus les coûts de production.

Au final, les chercheurs estiment que leur batterie aura une densité énergétique (la quantité d'énergie stockée par unité de poids) deux à trois fois plus importante par rapport à celle des accumulateurs lithium-ion (qui oscille entre 50 Wh/kg et 200 Wh/kg), tout en étant stable dans le temps au fil des cycles de charge et de décharge. Cependant, nous en sommes toujours au stade expérimental, et seule la cathode a été optimisée. Bref, beaucoup d'eau coulera encore sous les ponts avant de voir une batterie Li-O2 partiellement biosynthétisée arriver sur le marché.

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