Cellules à combustible fongiques créées avec l’aide de l’impression 3D

Les batteries sont la force motrice de notre présent et futur technologiquement avancés. Après tout, elles alimentent tout, des télécommandes, caméras, téléphones, ordinateurs portables et véhicules électriques aux équipements, robots et systèmes de stockage d’énergie.

Compte tenu des multiples cas d’utilisation des batteries, la taille du marché est passée à $134.62 billion in 2024 et est projected to further expand at a compound annual growth rate (CAGR) of 16.4% by 2030.

Avec une demande de batteries en constante augmentation, l’accent est désormais mis sur l’amélioration de la technologie afin d’offrir une densité énergétique accrue, une meilleure sécurité, une durée de vie plus longue et un temps de charge réduit.

En plus d’améliorer les performances des batteries, l’accent se porte désormais davantage sur la réduction de leur impact environnemental. This is because of the increasing e-waste, which is estimated to reach 74.7 Mt by the end of this decade due to the disposal of electronics with components that either do not degrade easily or are not readily recyclable.

Parallèlement, les matériaux non renouvelables s’épuisent rapidement, créant un besoin urgent de nouvelles sources d’énergie durables qui can be processed efficiently and have a minimum impact on the environment. 

Pour répondre à la nécessité rapide de développer des électroniques verts utilisant des matériaux non toxiques, plus respectueux de l’environnement et renouvelables dans leurs composants, des chercheurs d’Empa ont créé une batterie fongique biodégradable qui, au lieu d’être rechargée, doit être nourrie. Cette batterie vivante, imprimée en 3D, pourrait alimenter des capteurs utilisés en agriculture ou en recherche dans des régions isolées. Une fois sa tâche accomplie, la batterie fongique se digère de l’intérieur.

Ces bio‑batteries ou piles à combustible microbiennes (MFC) utilisent le métabolisme redox des micro‑organismes pour produire de l’énergie. 

Les micro‑organismes employés dans ce type de piles à combustible métabolisent la matière organique telle que les eaux usées ou les sucres et, en l’absence de ces substances, utilisent l’énergie lumineuse et la photosynthèse. Une MFC se compose d’une anode et d’une cathode, séparées soit par une membrane échangeuse de protons (PEM), soit laissées ouvertes dans un dispositif à compartiment unique. 

Outre les dispositifs de télédétection et de surveillance environnementale, les MFC intéressent des applications telles que l’électronique portable et les dispositifs de diagnostic biomédical. Elles sont particulièrement utiles dans des applications autonomes qui n’ont pas besoin d’accéder au réseau électrique principal.

Les MFC bactériennes, algales et archéennes sont quelques types de piles à combustible microbiennes. En ce qui concerne les MFC fongiques, celles à base de levures et de champignons à pourriture blanche ont été étudiées, mais elles n’avaient jamais été combinées jusqu’à présent.

Fungi: Un domaine d’intérêt croissant

L’objectif de ce projet de recherche de trois ans porte sur les champignons, qui sont des organismes eucaryotes, c’est‑à‑dire que leurs cellules possèdent des organelles membrane‑bound et des noyaux clairement définis. Les champignons ne font pas partie du règne végétal et se distinguent également de tous les autres organismes vivants.

Les champignons sont les champignons les plus facilement reconnus. D’autres types comprennent les levures, les rouilles, les moisissures et les champignons. Les champignons sont en réalité partout: dans le sol, l’air, les lacs, les mers, les plantes, les animaux, les aliments et le corps humain. Avec les bactéries, ils aident à décomposer la matière organique et libèrent de l’oxygène, du carbone, du phosphore et de l’azote dans le sol et l’atmosphère. 

Dans notre quotidien, ils sont couramment utilisés pour fabriquer du pain, du vin, de la bière et certains fromages, ainsi que des aliments riches en protéines. Les champignons contribuent également de manière importante à la gestion des maladies, mais sont en même temps responsables de pathogènes causant des maladies.

Les études sur les champignons nous ont permis d’acquérir des connaissances fondamentales en biologie et restent un domaine d’intérêt pour l’étude de la biologie cellulaire et moléculaire, du génie génétique et d’autres disciplines de base de la biologie.

Dans le domaine médical, les champignons magiques suscitent un intérêt particulier en raison de leur teneur en psilocybine, un alcaloïde psychoactif naturel aux effets hallucinogènes. Comme nous l’avons partagé dans notre article récent, une explosion de recherches exploring psilocybin’s use to treat mental and psychological disorders.

La capacité des champignons à transformer les matières organiques en produits utiles a également suscité un grand intérêt pour la biotechnologie fongique, où ils peuvent aider à faire progresser la transition vers une économie circulaire basée sur le bio.

En offrant des solutions pour sécuriser, stabiliser et améliorer l’approvisionnement alimentaire d’une population humaine croissante tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, la biotechnologie fongique a le potentiel d’apporter une contribution significative à l’atténuation du changement climatique.

Alors que les champignons ont attiré beaucoup d’attention dans différents domaines, il en va différemment du domaine de la science des matériaux, où ils restent sous‑recherchés et, bien sûr, sous‑exploités, ce qui pourrait enfin changer à mesure que les chercheurs utilisent les champignons pour générer de l’électricité. 

La latest study demonstrates le développement d’une batterie fongique fonctionnelle qui, bien qu’elle ne produise pas beaucoup d’électricité, peut générer suffisamment d’énergie pour alimenter un capteur de température pendant plusieurs jours. Ce type de capteurs est utilisé dans la recherche environnementale ou dans l’industrie agricole.

Contrairement aux batteries traditionnelles, cette batterie fongique est totalement non toxique et biodégradable, ce qui en fait une option respectueuse de l’environnement.

BioBattery: L’électronique verte est là

La batterie à base d’organique provenant des Laboratoires fédéraux suisses de science et technologie des matériaux, un institut de recherche axé sur la science et la technologie des matériaux appliquées, a facilité le métabolisme fongique et la génération d’énergie associée.

Source: ACS

La cellule vivante ici est une pile à combustible microbienne. Les micro‑organismes, tout comme tout être vivant, convertissent les nutriments en énergie, et les piles à combustible microbiennes (MFC) utilisent également ce métabolisme pour créer de l’énergie puis en capturer une partie sous forme d’électricité. 

Les piles à combustible microbiennes étaient principalement alimentées par des bactéries jusqu’à présent, lorsque, pour la toute première fois, les chercheurs d’Empa ont « combiné deux types de champignons » dont le métabolisme fonctionne très bien ensemble « pour créer une pile à combustible fonctionnelle ».

Les chercheurs ont utilisé un champignon levure du côté de l’anode, où son métabolisme libère des électrons, et un champignon à pourriture blanche a été utilisé du côté de la cathode, où il produit une enzyme spéciale qui permet la capture des électrons et est ensuite transférée hors de la cellule.

Les chercheurs ont incorporé les champignons dans la batterie comme partie intégrante de la cellule dès le départ. Ils ont utilisé l’impression 3D pour fabriquer les composants de la batterie fongique, ce qui leur a offert une liberté géométrique totale pour imprimer des dispositifs de forme et de forme arbitraires qui peuvent être intégrés de manière transparente avec d’autres composants électroniques.

De cette façon, ils ont pu structurer les électrodes d’une manière spécifique permettant aux micro‑organismes d’accéder aux nutriments aussi facilement que possible.

Maintenant, la façon de procéder était de mélanger les cellules fongiques dans l’encre d’impression. Cela signifie surmonter le défi non seulement de trouver un matériau dans lequel les champignons peuvent bien pousser, mais aussi d’extruder l’encre sans tuer les cellules.

“Bien sûr, nous voulons qu’elle soit conductrice électriquement et biodégradable.”

– Gustav Nyström, Responsable du laboratoire Cellulose et Matériaux bois

Pour les rendre conductrices électriquement, l’équipe a ajouté du noir de carbone et des flocons de graphite aux encres. 

Fort de son expérience approfondie en impression 3D de matériaux souples et biosourcés, l’équipe a pu produire une encre à base de cellulose (encres hydrogel fongiques) adaptée à la tâche. L’étude a noté que l’utilisation de la cellulose pour l’impression 3D d’électrodes fongiques constitue une nouvelle façon de canaliser l’activité métabolique des champignons pour une utilisation potentielle dans des dispositifs électrochimiques.

La cellulose est un polymère abondant, à faible coût, renouvelable et biodégradable qui est dérivé d’algues, de bactéries, de bois et de tuniciers. Elle a en fait été utilisée avec succès pour fabriquer divers types d’électronique à base d’organique. 

Les cellules fongiques pourraient même utiliser la cellulose comme nutriment, ce qui aide à décomposer la batterie après utilisation. Leur principale source de nutriments, cependant, était les sucres simples, qui sont ajoutés plus tard aux cellules de la batterie.

“Vous pouvez stocker les batteries fongiques à l’état sec et les activer sur place en ajoutant simplement de l’eau et des nutriments.”

– Chercheuse d’Empa Carolina Reyes, microbiologiste diplômée

Selon l’étude, ces biobatteries peuvent produire de 300 à 600 mV pendant plusieurs jours. En reliant quatre batteries en parallèle, un petit capteur peut être alimenté pendant 65 heures.

L’équipe avait développé des matériaux, des encres et des dispositifs dans leurs travaux précédents pour une nouvelle branche d’électronique verte, incluant des affichages, des capteurs, des batteries et des supercondensateurs. Avec cette étude, ils ont élargi les possibilités de leurs expériences antérieures, où ils proposaient des dispositifs capables de stocker l’énergie électrique et de générer de l’énergie dans un système respectueux de l’environnement. 

Dans la prochaine phase, les chercheurs visent à rendre la batterie fongique plus puissante et plus durable, ainsi qu’à rendre le dispositif entièrement imprimable en 3D. Ils envisageront également d’autres types de champignons plus adaptés à l’objectif de fournir de l’électricité et de préparer leur dispositif à une utilisation pratique sur le terrain.

Voyons maintenant quelques acteurs clés opérant sur les marchés des batteries et de l’impression 3D. 

1. Proto Labs, Inc. (PRLB )

Fournisseur de services de fabrication numérique complets, Proto Labs se spécialise dans la fabrication avancée et les services d’impression 3D pour créer des pièces personnalisées pour ses clients.

Proto Labs a commencé cette année en s’étendant à une production à service complet, ce que l’entreprise qualifie de « évolution naturelle ». Cela se traduira par un meilleur contrôle qualité et de meilleures options tarifaires tout en se concentrant sur les certifications industrielles, permettant à l’entreprise de servir les clients du début à la fin. Le catalyseur de cette expansion, Eric Utley, responsable de l’ingénierie des applications d’impression 3D chez Proto Labs, a déclaré que l’acquisition de 3D Hubs en 2021, qui a élargi leur gamme de solutions, en était la cause.

Avec la durabilité devenant une préoccupation mondiale pressante et tous, des consommateurs aux entreprises en passant par les régulateurs, œuvrant à réduire leur empreinte environnementale en optant pour des matériaux recyclés, Proto Labs a également introduit des matériaux plastiques fabriqués avec du contenu recyclé dans son offre CNC. Cela permet aux utilisateurs d’éviter d’utiliser des matériaux vierges pour le prototypage sans coût supplémentaire.

Avec une capitalisation boursière de 937,75 millions de dollars, les actions de Proto Labs se négocient actuellement à 38,26 $, en baisse de 2,12 % depuis le début de l’année. Elles affichent un BPA (TTM) de 0,94 et un PER (TTM) de 40,69.

Pour le troisième trimestre 2024, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires de 125,6 millions de dollars, en baisse de 3,9 % par rapport à son chiffre d’affaires record de 130,7 millions de dollars au même trimestre de l’année précédente. Le bénéfice net du trimestre était de 7,2 millions de dollars. Par ailleurs, le flux de trésorerie d’exploitation était le plus élevé depuis 2020, avant que Proto Labs n’acquière 3D Hubs.

Le bénéfice par action non GAAP du troisième trimestre était de 0,47 $, tandis que le BPA ajusté depuis le début de l’année a été rapporté en hausse de plus de 10 % d’une année sur l’autre malgré un chiffre d’affaires stable. Au total, Protolabs a servi 22 511 contacts clients. Le solde de trésorerie et d’investissements, au 30 septembre 2024, était de 117,6 millions de dollars.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

Le BYD basé en Chine est principalement engagé dans la fabrication et la vente d’équipements de transport, mais il est également actif dans la construction de batteries rechargeables, de produits photovoltaïques et d’appareils électroniques d’usage quotidien.

Avec une capitalisation boursière de 105,57 milliards de dollars, les actions de BYD se négocient actuellement à 33,33 $, en baisse de 1,99 % depuis le début de l’année. Elles affichent un BPA (TTM) de 1,66 et un PER (TTM) de 20,08, tandis que le rendement du dividende est de 1,31 %.

Selon les dernières données publiées, BYD se classe deuxième avec une part de 23,19 % de la capacité installée de batteries de puissance en Chine, qui a atteint 17,49 GWh. Le total des installations de batteries de puissance dans le pays s’élevait quant à lui à 75,4 GWh, soit une hausse de 57,3 % d’une année sur l’autre. Pour l’année complète 2024, BYD s’est classé deuxième avec une part de 24,74 %, tandis que CATL a maintenu sa position avec une part de 45,08 %.

Le principal producteur de batteries rechargeables, BYD propose des batteries lithium‑ion, des batteries NiMH et des batteries NCM, qui ont une grande variété d’utilisations, incluant l’électronique grand public, les véhicules à énergie nouvelle et le stockage d’énergie. Le point crucial ici est que l’entreprise possède l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement, ce qui lui permet de mieux contrôler la qualité et les coûts.

BYD est désormais prêt à lancer la nouvelle génération de batterie Blade pour les VE cette année, qui sera utilisée dans les futurs véhicules de la société. La première génération de batterie Blade a été introduite par BYD en 2020, et sa génération actuelle est utilisée par BYD pour alimenter ses VE ainsi que par d’autres constructeurs automobiles comme Tesla (TSLA ), Toyota (TM ), Ford (F ), Kia et Hyundai.

Par rapport aux batteries lithium‑ion conventionnelles, ces batteries lithium‑ion phosphore (LFP) sont plus économiques et ont permis à BYD d’introduire des modèles de VE à prix abordable qui ont propulsé sa croissance. La prochaine génération de batteries Blade sera encore plus compacte, efficace, sûre et offrira une plus grande autonomie.

En ce qui concerne le secteur automobile de l’entreprise, BYS a vendu un nombre record de VE et hybrides à l’échelle mondiale l’année dernière, tandis que son principal concurrent, Tesla, en a vendu 4,3 millions. Le constructeur automobile le plus vendu en Chine a réellement vendu 1,76 million de VE purs en 2024 tout en faisant face à une concurrence féroce sur le marché intérieur, qui a été stimulée par des centaines de milliards de dollars de subventions gouvernementales au cours de la dernière décennie.

En ce qui concerne le chiffre d’affaires de l’entreprise, pour le troisième trimestre 2024, le fabricant chinois de véhicules électriques, qui a cessé de produire des véhicules à moteur à essence en 2022, a enregistré une hausse de 11,5 % du bénéfice net, atteignant 1,63 milliard de dollars, tandis que son chiffre d’affaires a augmenté de 24 % d’une année sur l’autre pour atteindre 28,24 milliards de dollars. 

Conclusion

Les batteries, composant essentiel des électroniques d’aujourd’hui ainsi que des VE, des réseaux cellulaires intuitifs et des missions spatiales lointaines, sont le moteur de la révolution technologique. Cependant, la croissance rapide des déchets électroniques et l’épuisement des matériaux non renouvelables exigent que nous développions des produits basés sur des ressources naturelles renouvelables, ce qui devient le domaine d’intérêt, comme nous l’avons vu aujourd’hui avec les chercheurs se tournant vers des matériaux organiques comme les champignons pour fabriquer des batteries.

Les champignons, qui enrichissent depuis longtemps la vie sur Terre et façonnent notre avenir, ont connu une vague d’intérêt croissante grâce à leur rôle de leaders dans le recyclage et la transformation des matériaux. Ils offrent des solutions pour rendre la transition verte vers une économie circulaire basée sur le bio, introduisant de nouveaux concepts pour assurer la santé humaine, végétale et animale.

Alors que les champignons ont été explorés et utilisés en agriculture, médecine et biotechnologie, la dernière étude marque une avancée majeure dans le domaine de la science des matériaux et de l’électrochimie microbienne. Elle le fait en utilisant des matériaux respectueux de l’environnement dans sa construction et en créant des opportunités d’imprimer en 3D diverses électrodes fongiques à base de cellulose pour une utilisation dans les piles à combustible microbiennes.

Des percées comme celle-ci répondent aux défis environnementaux pressants et ouvrent de nouvelles possibilités pour concevoir des systèmes de stockage d’énergie haute performance, basés sur le bio, nous rapprochant ainsi de la réalisation d’une véritable économie durable et circulaire.

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