Supercondensateurs hautement performants grâce aux électrodes imprimées en 3D

1 novembre 2018, 18:12
Supercondensateurs hautement performants grâce aux électrodes imprimées en 3D
Supercondensateurs hautement performants grâce aux électrodes imprimées en 3D
Les chercheurs de l’UCSC (université de Californie à Santa Cruz) et du LLNL (laboratoire national de Lawrence Livermore) ont réussi à améliorer sensiblement les performances des supercondensateurs grâce à un procédé innovant de fabrication d'électrodes. Celles-ci sont fabriquées dans un aérogel imprimable contenant du graphène qui permet de construire une structure poreuse formant un échafaudage en 3D, chargé d'un matériau pseudo-capacitif.
 
Les essais menés en laboratoire montrent que la nouvelle structure d'électrode permet d'obtenir un supercondensateur doté de la plus grande capacité par unité de surface (charge électrique stockée par unité de surface de l'électrode) jamais obtenue. Les résultats de ces recherches ont été publiés récemment sur le site de la revue Joule.
 
 
Image au microscope électronique à balayage de l’échafaudage en aérogel,
contenant du graphène, et obtenu par impression 3D.
Image : Bin Yao / UCSC
Utilisés pour stocker de l'énergie électrique, les supercondensateurs ont pour avantage sur les batteries de pouvoir être chargés très rapidement (en quelques minutes, voire quelques secondes). Par ailleurs, ils ont des propriétés relativement stables dans le temps, avec une capacité de stockage identique même après des dizaines de milliers de cycles de charge. Ils sont fréquemment utilisés pour stocker l'énergie produite dans les systèmes de freinage régénératifs des véhicules. Pour autant, en comparaison des batteries, ils ont besoin d'un volume plus important pour stocker la même charge et les pertes de la charge stockée sont plus rapides. Avec les progrès de la technologie, il est fort possible que les supercondensateurs soient des concurrents crédibles pour les batteries. Pour fabriquer cette nouvelle électrode, les chercheurs ont utilisé un nouveau type d'aérogel au graphène pour créer une structure d'échafaudage poreux, recouverte d'un matériau pseudo-capacitif contenant de l'oxyde de manganèse.

Contrairement au supercondensateur classique qui stocke l'énergie dans un champ électrostatique, le pseudo-condensateur la met en réserve via une réaction à la surface d'une électrode, ce qui le rapproche davantage des batteries que des supercondensateurs ordinaires. En revanche, les pseudo-condensateurs ont pour inconvénient une diminution rapide de la valeur de la capacité au fil de l'accroissement de l'épaisseur de l'électrode sous l'effet du ralentissement de la diffusion des ions dans la masse du matériau. Ce nouveau type d'électrode permet d'améliorer significativement l'équilibre entre la charge massique et la capacité des pseudo-condensateurs. À ce titre, les chercheurs ont réussi à accroître la charge massique à plus de 100 mg/cm2 de dioxyde de manganèse, et ce, sans diminuer les performances. Plus important encore, il s'est avéré que la capacité par unité de surface augmentait de manière linéaire avec la charge massique d'oxyde de manganèse et l'épaisseur de l'électrode, alors que la capacité restait pratiquement inchangée par rapport au poids. Les performances de l'électrode ne sont donc pas altérées par la diffusion des ions.

 
Image au microscope électronique à balayage de l’échafaudage en aérogel
imprimé en 3D, constitué de graphène, et recouvert d’oxyde de manganèse.
Image : Bin Yao / UCSC
 

Pour fabriquer un supercondensateur commercial classique, on crée un collecteur de courant en déposant un mince film métallique sur le matériau constituant l'électrode. L'augmentation de l’épaisseur de la couche réduit les performances, d'où la nécessité de superposer plusieurs films pour obtenir des capacités plus importantes. Inconvénient : le condensateur obtenu est à la fois plus lourd et plus coûteux. A contrario, cette nouvelle électrode n'a pas besoin de structures superposées. Les chercheurs ont ainsi pu augmenter l'épaisseur de l'électrode jusqu'à 4 mm sans perte de performances.

Les supercondensateurs obtenus permettent de conserver 90 % de leur capacité de stockage initial, même après plus de 20 000 cycles de charge et de décharge. Ces électrodes innovantes obtenues par impression 3D apportent davantage de flexibilité pour la conception des dispositifs, car il est possible de configurer un contour spécifique pour s'adapter à un appareil particulier.
 
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