Graphène pour la grille verte

Intégrer des sources irrégulières d'énergie renouvelable, telles que l'éolien et le solaire, au réseau électrique, tout en maintenant une puissance de sortie stable, va être un grand défi. Les dispositifs de stockage d'énergie appelés ultracondensateurs pourraient aider en stockant les surtensions soudaines. Mais beaucoup dépendra du développement d'une nouvelle génération d'ultracondensateurs avec une capacité de stockage suffisante pour répondre à la demande probable.

Puissance du graphène : Graphene Energy espère que les électrodes de graphène telles que celle-ci augmenteront la capacité de stockage d'énergie et la puissance de sortie des ultracondensateurs. Cette image, qui montre le bord d'une électrode de graphène, a été réalisée avec un microscope électronique à balayage.

Énergie graphène , une startup basée à Austin, TX, espère que les ultracondensateurs avec des électrodes en graphène – des feuilles de carbone d'une épaisseur d'un atome – seront la solution. La capacité de stockage d'un ultracondensateur n'est limitée que par la surface de ses électrodes, et le graphène offre un moyen d'augmenter considérablement la surface disponible.

Les ultracondensateurs stockent l'énergie de manière électrostatique, au lieu de chimiquement, comme dans les batteries. Pendant la charge, des électrons arrivent à la surface d'une électrode et des trous d'électrons se forment à la surface de l'autre. Cela attire les ions positifs d'un électrolyte vers la première électrode et les ions négatifs vers la seconde. En revanche, les réactions chimiques utilisées pour charger les batteries limitent la vitesse à laquelle elles peuvent être chargées et finissent par provoquer la rupture des matériaux des électrodes. Les ultracondensateurs peuvent être chargés et déchargés très rapidement, en quelques secondes plutôt qu'en quelques minutes, et peuvent être rechargés des millions de fois avant de s'user.

Cependant, les ultracondensateurs actuellement sur le marché ne peuvent pas correspondre aux batteries pour la densité énergétique, ils sont donc principalement utilisés dans les systèmes hybrides aux côtés des batteries ou pour des applications de niche. Étant donné que ces appareils peuvent gérer un afflux rapide de grandes quantités d'énergie, ils sont souvent utilisés pour récupérer de l'énergie, par exemple lorsqu'un bus urbain freine ou qu'un portique abaisse sa cargaison. Les ultracondensateurs utilisés de cette manière ont réduit de 40 % l'énergie nécessaire à certaines grues utilisées dans les ports japonais. Quelques outils électriques, dont une perceuse électrique, profitent de la capacité de recharge rapide des ultracondensateurs.

Graphene Energy espère ouvrir de nouvelles applications pour les ultracondensateurs en développant des dispositifs avec une puissance de sortie beaucoup plus élevée. Ces ultracondensateurs pourraient peut-être être utilisés pour réguler les surtensions du réseau électrique ou pour alimenter des véhicules de transport hybrides. La société dispose d'un financement de démarrage de 500 000 $ pour commercialiser des ultracondensateurs au graphène développés par Rodney Ruoff , professeur de génie mécanique à l'Université du Texas à Austin. Ruoff est cofondateur de Graphene Energy et est également le conseiller technologique de l'entreprise.

Les ultracondensateurs existants utilisent des électrodes en charbon actif, un matériau poreux semblable au charbon de bois qui a une très grande surface spécifique. Le charbon actif stocke la charge dans des pores en forme de tunnel et il lui faut environ une seconde pour entrer et sortir. C'est très rapide par rapport aux batteries les plus rapides, mais le charbon actif a une puissance de sortie limitée.

Pour fabriquer le graphène de ses électrodes, l'équipe de Ruoff commence par mettre de l'oxyde de graphite dans une solution aqueuse. Cela provoque l'écaillage du matériau en feuilles d'oxyde de graphène très fines. Ensuite, les atomes d'oxygène sont éliminés, laissant le graphène derrière. Jusqu'à présent, le laboratoire de Ruoff a fabriqué des ultracondensateurs au graphène qui correspondent aux performances de ceux fabriqués à partir de charbon actif. Avec d'autres raffinements, dit-il, ils devraient surpasser le charbon actif, bien que les mesures prises par son entreprise pour y parvenir restent secrètes.

Basé sur une description des ultracondensateurs au graphène publiée en septembre dernier dans la revue Lettres nano , John Miller de JME, une société de recherche et de conseil spécialisée dans les condensateurs électrochimiques, affirme qu'il devrait en effet être possible d'améliorer leurs performances. L'électrode de graphène décrite dans cet article est enroulée en boule comme un morceau de papier froissé, explique Miller. Vous n'avez pas un accès complet à la surface.

Si Graphene Energy peut faire croître les électrodes en réseaux verticaux, comme une rangée de feuilles de papier parfaitement plates debout sur le bord, Miller dit que la puissance de sortie pourrait être considérablement augmentée. Dans cet arrangement, chaque atome de carbone serait exposé et capable de stocker de l'énergie, avec pratiquement aucun temps d'attente pour que la charge voyage dans les tunnels trouvés dans le charbon actif.

Cependant, en plus d'améliorer les performances de ses ultracondensateurs, Graphene Energy doit également développer une méthode pour les fabriquer à plus grande échelle, un défi commun à toutes les recherches sur le graphène.

Dileep Agnihotri , PDG de Graphene Energy, déclare que la société espère tester son premier prototype de produit incorporant des électrodes de graphène d'ici la fin de cette année.

Un autre groupe de chercheurs espère fabriquer de meilleures électrodes d'ultracondensateur en utilisant des nanotubes de carbone - des tubes enroulés de graphène qui ont bon nombre des mêmes propriétés. Je pense que les deux approches peuvent fonctionner en principe, dit Joël Schindall , professeur de génie électrique et d'informatique au MIT qui travaille sur les électrodes à nanotubes. La clé sera de réussir le processus de croissance, puis de trouver des moyens de le fabriquer de manière rentable.

cacher