Dans une avancée scientifique qui ferait l'envie de George Washington Carver lui-même, les scientifiques ont peut-être inventé l'utilisation la plus ingénieuse de l'arachide à ce jour. Mais ce ne sont pas les légumineuses populaires que Carver a transformées en aliments, teintures et produits cosmétiques - elles emballent des cacahuètes. Une équipe d’ingénieurs en chimie de l’Université Purdue a mis au point un moyen fascinant de réutiliser les arachides d’emballage pour la fabrication d’anodes en carbone, un composant des batteries rechargeables qui surpasse les batteries concurrentes sur le marché.
Les arachides d’emballage se sont révélées extrêmement utiles pour assurer l’arrivée en toute sécurité de colis volumineux avec un poids supplémentaire négligeable. Cependant, ils sont un diable à éliminer. Parce qu'ils prennent beaucoup de place et sont coûteux à transporter, de nombreux services de collecte sélective n'acceptent plus les cacahuètes. En conséquence, seule une fraction des arachides d’emballage est correctement recyclée.
La majorité restante est rejetée dans des décharges où elle peut constituer une menace environnementale importante. En plus de prendre plusieurs générations à se décomposer, les arachides à base de polystyrène (styrofoam étant la marque commune) contiennent des produits chimiques que l'on croit cancérigènes. En réponse aux critiques concernant ces effets nocifs sur l'environnement, les fabricants ont introduit des cacahuètes biodégradables à base d'amidon non toxiques. Pourtant, les chercheurs de Purdue affirment que cette alternative «verte» pourrait également contenir des produits chimiques potentiellement dangereux, utilisés pour «gonfler» ces cacahuètes.
Vilas Pol, professeur associé à la faculté de génie chimique de Purdue et auteur principal de l'étude, a déclaré que son inspiration pour le projet venait de la commande de matériel pour son nouveau laboratoire expérimental de recherche sur les batteries. «Nous avions beaucoup d’équipements et de produits chimiques dans de nombreuses boîtes remplies d’emballages d’arachides, et j’ai vite réalisé que toutes ces arachides étaient gaspillées», explique Pol. "Nous voulions faire quelque chose de bon pour la société et l'environnement."
Les batteries lithium-ion consistent principalement en une électrode positive (cathode) constituée d'une substance à base de lithium, une électrode négative (anode) en carbone, une membrane polymère les séparant et une substance électrolytique fluide pouvant transporter une charge à travers la membrane. Lorsque la batterie se charge, les ions lithium positifs se déplacent de la cathode positive vers l'anode négative et sont stockés sur le carbone. À l'inverse, lorsque la batterie est en cours d'utilisation, les ions lithium s'écoulent dans le sens opposé, générant de l'électricité.
Après une analyse initiale qui a révélé que les composants principaux des cacahuètes d’emballage sont le carbone, l’hydrogène et l’oxygène, l’équipe a cherché à mettre au point un procédé permettant d’utiliser le carbone pour créer une anode pour une batterie lithium-ion. En chauffant les arachides dans des conditions spécifiques, l’équipe a pu isoler le carbone, en veillant à éliminer l’oxygène et l’hydrogène par formation de vapeur d’eau, afin de ne pas créer de sous-produit dangereux pour l’environnement. L’équipe a ensuite appliqué une chaleur supplémentaire sur le carbone restant, en le moulant en feuilles très minces pouvant servir d’anode à la batterie.
Étonnamment, la nouvelle batterie «recyclée» a largement dépassé les attentes des scientifiques: elle a enregistré une charge globale supplémentaire d'environ 15% et une charge plus rapide que celle d'autres batteries lithium-ion comparables. Il s'est avéré que le processus de fabrication unique de l'équipe avait modifié par inadvertance la structure du carbone à son avantage. Une enquête plus approfondie a révélé que lorsque l’amidon libérait de l’eau, elle produisait de petits pores et cavités, augmentant ainsi la surface totale capable de contenir la charge de lithium. Pol et ses collègues ont également découvert que leur processus augmentait l'espacement entre les atomes de carbone, facilitant une charge plus rapide en permettant aux ions lithium d'accéder plus efficacement à chaque atome de carbone. «C'est comme si vous aviez une plus grande porte pour le lithium, » a déclaré Pol. "Et cet espace plus grand incite le lithium à aller plus vite."
En plus de l'impact environnemental positif inhérent à la réutilisation des arachides qui encombreraient autrement les décharges, l'isolement du carbone pur des arachides nécessite un minimum d'énergie (seulement 1 100 degrés Fahrenheit). En revanche, la température requise pour produire du carbone conventionnel utilisé pour les anodes de batterie est comprise entre 3 600 et 4 500 degrés Fahrenheit et prend plusieurs jours, déclare Pol.
Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur nouvelle technologie, dans l’espoir de la commercialiser dans les deux prochaines années, et envisagent d’envisager d’autres utilisations du carbone. «Il s’agit d’un processus très évolutif», déclare Pol. Et «ces batteries ne sont qu'une des applications. Le carbone est partout.
