Matériaux bio-inspirés pour les batteries
Dents, os, coquilles d’escargots, exosquelettes de libellule ou encore œufs d’oiseaux sont formés via un processus appelé biominéralisation. Ces biomatériaux composés de minéraux comme le calcium ou la silice incorporés dans des tissus biologiques sont très répandus dans le vivant. Cet amalgame permet d’obtenir des propriétés très utiles notamment de résistance. Les tissus biologiques sont faits de protéines ou de peptides. Les peptides impliqués dans la formation des coquilles d’escargots et d’autres tissus minéralisés sont capables de se lier aux molécules inorganiques pour les maintenir en place. Un escargot, par exemple, ne peut pas construire sa coquille en calcium directement, mais il peut construire un échafaudage de peptides liant le calcium, en forme de coquille. De cette manière il y a un contrôle fin de la structure du matériau.
Le concept est si puissant que les chercheurs s’en inspirent pour créer des matériaux nouveaux. Notamment pour améliorer les batteries lithium-ion selon Evgenia Barannikova, une étudiante de troisième cycle à l’Université du Maryland, Baltimore County qui vient de présenter les recherches de l’équipe de Mark Allen sur les batteries au lithium-ion bio-inspirés, le 11 mars 2015, à la réunion annuelle de la Société de biophysique.
Les cathodes de batteries Lithium-ion, composées de matériaux électro-actifs nanométriques montrent de plus grandes performances énergétiques que les mêmes matériaux dont les structures sont macroscopiques. Mais elles se détériorent rapidement sous l’action des cycles de charge et décharge et ont donc des durées de vie courtes. Le but des recherches de l’équipe de Mark Allen est de trouver un moyen de stabiliser les liens qui relient les nano-structures électroactives et les matériaux conducteurs.
“La Biologie nous fournit plusieurs outils qui permettent de résoudre des problèmes importants“, a déclaré Evgenia Barannikova. “En imitant les processus biologiques, nous pouvons trouver la meilleure solution” dit-elle.
En effet, certains peptides peuvent s’accrocher aux nano-structures électroactives, des nano- particules d‘oxyde de manganèse, lithium et nickel (LMNO).
Une difficulté est de trouver le bon peptide. Aucune escargot, après tout, ne fait sa coquille à partir de l’oxyde de manganèse, lithium et nickel. Barannikova et ses collègues ont utilisé une procédure appelée “Phage Display” pour dépister parmi plus d’un milliard de peptides celui qui collerait fortement au LMNO. La bibliothèque de peptides à travers laquelle les chercheurs ont fouillé est produite commercialement par une société de fournitures de laboratoire. On mélange peptides et nanoparticules de LMNO. On passe le tout au lavage forcé et on regarde quel peptide reste attaché après un tel traitement.
Les chercheurs ont ensuite combiné le peptide identifié avec un peptide déjà connu qui se lie à des nanotubes de carbone. Les nanotubes de carbone servent de nano-fils conducteurs dans les électrodes des batteries.
La combinaison des deux types de peptide forme un pont stable entre LMNO et les nanotubes de carbone conducteurs.
L’équipe est en train de tester la façon dont les nouvelles cathodes réagissent aux cycles de charges et décharges. Les premiers tests sont encourageant !
À l’avenir, Barannikova envisage de faire une anode avec des techniques similaires et d’intégrer les deux composants. «J’espère démontrer la faisabilité d’une bio-batterie dans ma thèse de doctorat,” dit-elle.
Affaire à suivre donc…
