La chair de crabe est délicieuse – c’est une vérité inattaquable et beurrée à l’ail. Mais voici quelque chose que vous ne savez peut-être pas sur votre prédilection pour les crustacés bouillis : chaque année, environ six à huit millions de tonnes de déchets de crabe , de crevette et de carapace de homard sont produits dans le monde , la plupart étant rejetés directement dans l’océan ou dans des décharges, selon le pays.
Le problème n’est pas tant le gaspillage colossal jeté à table que l’occasion manquée. Les exosquelettes robustes des crabes et leurs semblables marins sont riches en produits chimiques utiles et polyvalents comme le carbonate de calcium, qui a des usages médicinaux et industriels, et la chitine, le deuxième polymère naturel le plus abondant trouvé sur Terre.
Au fil des ans, les scientifiques ont extrait la chitine des carapaces de crustacés pour tout, de l’ingénierie tissulaire à la fabrication de plastique biodégradable . Parce que lui et son polymère frère le chitosane sont considérés comme écologiques et non toxiques, il y a eu beaucoup d’intérêt à incorporer ces composés chimiques dans les batteries de toutes choses.
Dans un article publié plus tôt ce mois-ci dans la revue Matter , un groupe d’ingénieurs de l’Université du Maryland a fait exactement cela, en fabriquant une impressionnante batterie chitine-zinc biodégradable, mais qui contient encore beaucoup de jus électrique. Alors que le monde se dirige vers un avenir plus durable, l’espoir est qu’une batterie rechargeable dérivée du crabe puisse être une alternative viable, voire un remplacement, aux batteries lithium-ion, qui sont de plus en plus demandées (bonjour les véhicules électriques !). Dans le même temps, le lithium lui-même devient une ressource rare.
« Il s’agit d’une application vraiment passionnante de la chitine, tirant parti de sa capacité de renouvellement et de son potentiel de liaison au zinc pour fabriquer de nouveaux matériaux d’électrode » , a déclaré Mark MacLachlan , professeur de matériaux supramoléculaires à l’Université de la Colombie-Britannique, qui n’a pas participé à l’étude. , raconte Popular Mechanics dans un e-mail.
Tout ce dont vous avez besoin, ce sont des électrons (et certains métaux conducteurs)
L’étincelle qui allume votre téléphone est due à une chimie qui se produit au plus profond d’une batterie.
Les réactions chimiques appelées réactions redox produisent un battement de tambour régulier de courant électrique sous la forme d’ électrons en mouvement . Ceux-ci voyagent à travers un circuit composé des électrodes de la batterie (constituées de deux métaux conducteurs différents), de son électrolyte chimique (un gel ou un matériau semblable à un liquide contenant des particules chargées appelées ions) et de tout appareil ou appareil auquel la batterie est connectée.
Il y a divers métaux et électrolytes utilisés dans une batterie. Par exemple, dans votre pile alcaline domestique courante, l’électrode positive (la cathode) est constituée d’oxyde de manganèse et l’électrode négative (ou anode) est constituée de l’oligo-minéral zinc. L’électrolyte intermédiaire est l’hydroxyde de potassium. Dans les batteries lithium-ion, le lithium est généralement associé à un autre métal comme le cobalt à la cathode et le carbone à l’anode, et constitue également l’électrolyte.
Les batteries lithium-ion sont l’étoile montante du monde de l’énergie pour être légères tout en offrant une grande quantité d’énergie (et elles sont rechargeables, pour démarrer).
Sans surprise, ces batteries ont trouvé leur place dans presque tous les appareils électroniques et véhicules électriques au cours des dernières décennies, mais l’extraction du lithium a un impact lourd et dévastateur sur l’environnement. De plus, les batteries lithium-ion ne sont pas facilement dégradables ou recyclables, ce qui ne les rend pas entièrement compatibles avec la durabilité, du moins dans leur forme actuelle.
« Les batteries rechargeables en tant que sources d’énergie verte sont essentielles pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, avec la demande croissante de véhicules électriques ces dernières années, de grandes quantités de batteries sont produites et consommées, ce qui soulève la possibilité de problèmes environnementaux » , a déclaré Meiling Wu , premier auteur de la nouvelle étude et boursier postdoctoral à l’Université du Maryland. dans un e-mail à Popular Mechanics . « Par exemple, les séparateurs en polypropylène et en polycarbonate, qui sont largement utilisés dans les batteries Li-ion, mettent des centaines ou des milliers d’années à se dégrader et à alourdir l’environnement. »
Crabes à la rescousse
Les scientifiques ont joué avec la chitine au cours des dernières années, cherchant des moyens d’incorporer la substance organique – qui est structurellement similaire à la cellulose des plantes – dans les batteries. En 2016 , MacLachlan et son laboratoire de l’Université de la Colombie-Britannique ont découvert que lorsque vous faites cuire de la chitine avec de l’azote à des températures aussi élevées que 1 652 degrés Fahrenheit, cela transforme les anciennes coquilles de crabe en un matériau carbone-azote adapté aux électrodes.
Mais Wu et ses collègues de l’Université du Maryland ont opté pour une approche différente. Ils se sont concentrés sur les piles à base de zinc , qui sont des piles jetables courantes, mais non rechargeables. Parce que le minéral est plus facilement disponible que le lithium (c’est-à-dire : moins cher à produire et à fournir) et moins toxique (les batteries au zinc utilisent de l’eau comme électrolyte), le zinc a suscité beaucoup d’intérêt en tant que notre chevalier énergétique blanc argenté.
Remplacer le lithium par du zinc n’est cependant pas facile. Dans les batteries comme électrode, le zinc a une fâcheuse tendance à former des irrégularités à sa surface. Ces irrégularités se forment lorsque les électrons se déplacent et forment de petites bosses qui font boule de neige en de plus en plus grandes appelées dendrites, qui perturbent le courant électrique de la batterie.
Étant donné que le chitosane, un dérivé de la chitine traité chimiquement, interagit bien avec l’eau et est capable de l’empêcher de flotter bon gré mal gré, Wu et ses collègues ont pensé qu’ils pourraient l’utiliser pour fabriquer un séparateur de batterie, une membrane semi-perméable qui maintient les électrodes chargées opposées à part, c’est aussi biodégradable.
Alors comment ont-ils fait ? Les chercheurs ont pris un film de chitosane de la taille d’une pièce de monnaie et l’ont baigné dans une solution remplie de zinc pour que le minéral adhère au film. Ensuite, ils ont essoré le film de chitosane-zinc et l’ont pressé fermement pour l’emballer de manière dense. Contrairement aux tentatives précédentes de densification des films de chitosane, cette technique permettait des pores relativement grands (jusqu’à cinq micromètres de taille), permettant la libre circulation des ions, Jodie Lutkenhaus , professeur de génie chimique à la Texas A&M University, qui n’a pas participé à cette étude. , raconte Popular Mechanics .
« C’est essentiel parce que quand vous pensez à une carapace de crustacé, vous pensez qu’elle est vraiment dure et dense, et ce n’est pas bon pour la conduction des ions », explique Lutkenhaus, qui a fait des recherches sur les batteries d’origine organique.
Pour terminer la construction, une anode de zinc a été placée au-dessus du séparateur chitosane-zinc avec une cathode constituée d’un composé organique appelé poly(sulfure de benzoquinonyle) ou PBQS. Lorsque Wu et ses collègues ont fait fonctionner leur batterie Krabby dans le laboratoire, ils n’ont rien vu de cette formation de dendrite sur l’anode de zinc. Impressionnant, il a généré un courant électrique de 50 milliampères par centimètre carré pendant 400 heures (ou 1 000 cycles de charge), ce qui est proche de ce dont sont capables les petites batteries au lithium.
Ensuite, ils ont enterré l’électrolyte à base de chitosane, pas la batterie entière elle-même, pour voir combien de temps cela prendrait pour se dégrader. Wu dit qu’ils ont découvert qu’il fallait environ cinq mois pour que les micro-organismes vivant dans la saleté rongent l’électrolyte, ce qui est beaucoup plus rapide que les électrolytes conventionnels qui se trouvent dans les décharges et certainement bon pour l’environnement.
« Cela ne signifie pas que la batterie elle-même se dégradera dans les cinq mois », dit-elle. « En fait, l’électrolyte est emballé dans une cellule fermée, qui est séparée de l’air et des organismes. Ce type d’appareil peut fonctionner beaucoup plus longtemps.
L’avenir des batteries à base de chitosane
Bien que vous n’alliez pas voir de sitôt des batteries en coquille de crabe, les chercheurs espèrent que leurs batteries deviendront monnaie courante, utilisées dans des appareils électroniques comme votre téléphone portable pour des stockages dédiés aux énergies renouvelables qui se libèrent dans un réseau commercial .
Considérant que le chitosan ne coûte qu’environ 1,70 $ par gramme et que vous n’en avez pas besoin pour fabriquer leur prototype (seulement environ 20 microgrammes pour une pile de la taille d’une pièce de monnaie de 20 millimètres), cela peut donner à la pile chitosan-zinc un avantage de prix sur les batteries lithium-ion, qui souffrent de la hausse de la demande et des coûts qui l’accompagnent.
Cependant, avec la montée en flèche des températures du changement climatique qui frappe le plus durement la vie marine , la question se pose de savoir ce qu’il adviendra des coûts si les batteries à base de chitosane décollent. Cela vaut également la peine de penser à quel point son utilisation serait vraiment écologique à l’avenir – nous devons tenir compte de l’empreinte carbone des activités associées à la récupération de la chitine et à sa transformation en chitosane.
« Je pense que la prochaine étape importante serait de faire une analyse technico-économique pour examiner quelle est la production mondiale de chitosane et si nous allons, disons, l’appliquer au stockage d’énergie à l’échelle du réseau, avons-nous suffisamment accès à ce? » dit Lutkenhaus. « Si nous commençons à l’utiliser, cela changera-t-il le prix en raison de la demande… [Aussi] l’analyse du cycle de vie… l’empreinte carbone de la capture des crustacés, de leur expédition et de leur transformation. »
Heureusement, dit Wu, nous avons d’autres sources de chitine, comme dans les insectes et les parois cellulaires des champignons, donc ce n’est pas tout à fait un raté si une source marine tombe au bord de la route. Et bien que personne jusqu’à présent n’ait tenté de synthétiser la chitine en laboratoire, qui sait ce que l’avenir nous réserve.
À l’heure actuelle, il semble que nos déchets de fruits de mer saumâtres pourraient être une solution à nos problèmes énergétiques actuels.
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