Les nanofleurs améliorent les ultracondensateurs

Imaginez une batterie de téléphone portable qui se recharge en quelques secondes et que vous n'auriez jamais à remplacer. C'est la promesse des dispositifs de stockage d'énergie appelés ultracondensateurs, mais à l'heure actuelle, ils ne peuvent stocker qu'environ 5 % d'énergie en plus que les batteries lithium-ion. Une avancée des chercheurs de l'Institut de recherche de la défense chimique, en Chine, pourrait augmenter la capacité des ultracondensateurs à stocker de l'énergie.

Pouvoir des nanofleurs : Une image au microscope électronique à transmission montre une nanoparticule d'oxyde de manganèse en forme de fleur déposée à la jonction de nanotubes de carbone croisés. Utilisé comme matériau d'électrode, ce composite nanotube-manganèse-oxyde pourrait améliorer la capacité de stockage d'énergie des ultracondensateurs, qui se révèlent prometteurs en tant que remplacements puissants et durables des batteries.

Un condensateur se compose de deux électrodes avec des charges opposées, souvent séparées par un isolant qui empêche les électrons de sauter directement entre elles. Les chercheurs ont développé une électrode capable de stocker deux fois plus de charge que les électrodes à charbon actif utilisées dans les ultracondensateurs actuels. La nouvelle électrode contient des nanoparticules d'oxyde de manganèse en forme de fleur déposées sur des nanotubes de carbone à croissance verticale.

Les électrodes fournissent cinq fois plus de puissance que les électrodes à charbon actif, explique Hao Zhang, auteur principal du Lettres nano papier décrivant le nouveau travail. La longévité de l'électrode est également comparable à celle des électrodes à charbon actif, explique Zhang : la décharge et la recharge des électrodes 20 000 fois ont réduit la capacité de stockage d'énergie du condensateur de seulement 3 %.

Dans un ultracondensateur typique, deux électrodes en aluminium sont suspendues dans un électrolyte. Une tension appliquée aux électrodes sépare les ions positifs et négatifs dans l'électrolyte, qui sont attirés par les électrodes de charge opposée. La quantité d'énergie que l'ultracondensateur peut stocker dépend en grande partie de la surface des électrodes : plus il y a de surface, plus il y a d'espace pour stocker la charge. Le revêtement des électrodes avec du charbon actif augmente leur surface, car une cuillère à café de matériau poreux et spongieux a environ la surface d'un terrain de football. Les ultracondensateurs peuvent stocker des millions de fois plus d'énergie que les minuscules condensateurs utilisés dans les circuits électroniques.

Mais leurs performances font encore pâle figure à côté de celles des batteries, qui stockent l'énergie grâce à des réactions chimiques. Si je vous donnais un téléphone portable avec une batterie ultracondensatrice, vous ne remplaceriez jamais la batterie, et vous pourriez la recharger en quelques secondes, mais cela ne durerait qu'une demi-heure, dit Joël Schindall , professeur d'électrotechnique au MIT.

Jusqu'à présent, les ultracondensateurs ont été limités à des applications de niche nécessitant une puissance élevée et une recharge rapide et répétitive. Par exemple, les dispositifs fournissent des surtensions rapides aux bus, camions et trains légers sur de courtes distances, et le freinage les réalimente. S'ils pouvaient stocker plus d'énergie, cependant, ils pourraient être un remplacement puissant et durable des batteries dans les véhicules électriques hybrides et les appareils électroniques portables.

Les chercheurs ont longtemps cherché à augmenter le stockage d'énergie dans les ultracondensateurs en améliorant la conception des électrodes. Schindall et ses collègues essaient de fabriquer des électrodes recouvertes de nanotubes de carbone, qui ont une surface plus grande que le charbon actif et sont d'excellents conducteurs. D'autres groupes de recherche utilisent de meilleurs matériaux de stockage de charge, tels que l'oxyde de manganèse et les polymères conducteurs.

La nouvelle électrode combine les avantages de ces deux méthodes. Tout d'abord, les chercheurs cultivent un réseau de nanotubes de carbone sur une feuille faite de tantale métallique, qui est couramment utilisé dans les condensateurs. Ensuite, ils font pousser des nanoparticules en forme de fleur de 100 nanomètres de large directement sur le réseau. Les nanotubes croissent plus ou moins verticalement, mais ils ne sont pas très rigides et ont tendance à se croiser. Les nanofleurs poussent principalement aux jonctions de plusieurs nanotubes et ont une grande surface (236 mètres carrés par gramme) par rapport aux particules typiques d'oxyde de manganèse.

Chaque nanofleur d'oxyde de manganèse est reliée directement à la feuille de tantale par deux ou plusieurs autoroutes d'électrons, les nanotubes de carbone, explique Gaoping Cao, co-responsable du projet de Zhang. Ce réseau conducteur supérieur permet un transport de charge efficace. Lorsque le courant traverse la feuille de tantale, les charges sont rapidement transférées et stockées dans l'oxyde de manganèse : l'électrode stocke deux fois plus de charge que le même volume de charbon actif. La conductivité élevée des nanotubes pourrait également leur donner une puissance de sortie supérieure à celle des ultracondensateurs actuels, selon les chercheurs.

La façon de faire pousser de l'oxyde de manganèse sur des matrices de nanotubes de carbone est nouvelle et a produit de belles structures, dit Youri Gogotsi , professeur de science des matériaux et d'ingénierie à l'Université Drexel. Gogotsi dit que combiner la conductivité élevée des nanotubes de carbone avec la capacité de stockage de charge de l'oxyde de manganèse est une approche attrayante. Mais, ajoute-t-il, ce n'est pas pratique pour les grands volumes, comme les applications automobiles, car l'utilisation de réseaux de nanotubes de carbone et de feuilles de tantale les rend coûteux.

En effet, selon Schindall, le coût pourrait être le principal obstacle aux ultracondensateurs à électrodes nanostructurées. Ils ont trouvé un moyen de faire pousser ces structures, dit-il, mais maintenant ils doivent pouvoir les faire pousser de manière suffisamment dense et économique pour être pratique.

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