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Nanocondensateurs avec stockage Big-Energy
L'ultime dispositif de stockage d'énergie électronique stockerait beaucoup d'énergie mais se chargerait également rapidement et fournirait des rafales puissantes en cas de besoin. Malheureusement, les appareils d'aujourd'hui ne peuvent faire que l'un ou l'autre : les condensateurs fournissent une puissance élevée, tandis que les batteries offrent un stockage élevé.
Pouvoir des nanopores : Des réseaux de condensateurs construits à l'intérieur des nanopores sont montrés ici dans une image de micrographie électronique à balayage recouverte d'une illustration qui montre leur conception. Les pores sont gravés dans un substrat en aluminium (jaune foncé). Les condensateurs forment deux fines couches de métal (bleu) séparées par une couche de matériau isolant (jaune clair).
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université du Maryland ont développé une sorte de condensateur qui rassemble ces qualités. La recherche n'en est qu'à ses débuts et l'appareil devra être mis à l'échelle pour être pratique, mais les premiers résultats montrent qu'il peut stocker 100 fois plus d'énergie que les appareils précédents du genre. En fin de compte, de tels dispositifs pourraient stocker des surtensions d'énergie provenant de sources renouvelables, comme le vent, et alimenter en énergie le réseau électrique en cas de besoin. Ils pourraient également alimenter des voitures électriques qui se rechargent le temps qu'il faut pour remplir un réservoir d'essence, au lieu des six à huit heures qu'il leur faut aujourd'hui pour se recharger.
Il existe de nombreux types de batteries et de condensateurs, mais en général, les batteries peuvent stocker de grandes quantités d'énergie, mais ont tendance à se charger lentement et à s'user rapidement. Les condensateurs, quant à eux, ont une durée de vie plus longue et peuvent se décharger rapidement, mais ils stockent beaucoup moins d'énergie totale. Les électrochimistes et les ingénieurs ont travaillé pour résoudre ce problème de stockage d'énergie en augmentant la puissance des batteries et en augmentant la capacité de stockage des condensateurs.
Sang bok lee , professeur de chimie et Gary Rubloff , professeur d'ingénierie et directeur de la Maryland NanoCenter , a créé des réseaux nanostructurés de condensateurs électrostatiques. Les condensateurs électrostatiques sont le type le plus simple de dispositif de stockage d'énergie électronique, explique Rubloff. Ils stockent des charges électriques à la surface de deux électrodes métalliques séparées par un matériau isolant ; leur capacité de stockage est directement proportionnelle à la surface de ces électrodes en sandwich. Les chercheurs du Maryland ont augmenté la capacité de stockage de leurs condensateurs en utilisant la nanofabrication pour augmenter leur surface totale. Leurs électrodes fonctionnent de la même manière que celles trouvées dans les condensateurs conventionnels, mais au lieu d'être plates, elles sont tubulaires et nichées profondément à l'intérieur de nanopores.
Le processus de fabrication commence par une plaque de verre recouverte d'aluminium. Les pores sont gravés dans la plaque en la traitant avec de l'acide et en appliquant une tension. Il est possible de créer des réseaux très réguliers de pores minuscules mais profonds, chacun aussi petit que 50 nanomètres de diamètre et jusqu'à 30 micromètres de profondeur, en contrôlant soigneusement les conditions de réaction. Le processus est similaire à celui utilisé pour fabriquer des puces mémoire. Ensuite, vous déposez une très fine couche de métal, puis une fine couche d'isolant, puis une autre fine couche de métal dans ces pores, explique Rubloff. Ces trois couches agissent comme les électrodes et la couche isolante des nanocondensateurs. Une couche d'aluminium se trouve sur le dessus de l'appareil et sert de contact électrique ; l'autre contact est réalisé avec une couche d'aluminium sous-jacente.
Cette structure semblable à une fractale augmente considérablement la surface, dit Joël Schindall , directeur associé du MIT Laboratoire des systèmes électromagnétiques et électroniques , qui n'a pas participé aux travaux.
Dans un article publié en ligne cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie , le groupe du Maryland décrit la fabrication de réseaux de 125 micromètres de large, contenant chacun un million de nanocondensateurs. La surface de chaque réseau est 250 fois supérieure à celle d'un condensateur conventionnel de taille comparable. La capacité de stockage des baies est d'environ 100 microfarads par centimètre carré.
Mais la surface n'est pas le seul déterminant de la densité énergétique. Les nanocondensateurs du groupe Maryland bénéficient également du très faible espacement entre leurs électrodes, et le travail est unique à cet égard, explique Robert Hebner , directeur de la Centre d'électromécanique à l'Université du Texas à Austin. Hebner n'a pas été impliqué dans la recherche du Maryland.
Si les électrodes sont éloignées les unes des autres, les charges similaires sur leurs surfaces se repoussent fortement. Lorsque les électrodes sont rapprochées, les charges négatives et positives de chaque côté équilibrent ces forces répulsives, et une charge plus totale peut être stockée dans une zone donnée. L'épaisseur totale de chaque nanocondensateur n'est que de 25 nanomètres et les charges peuvent être très proches les unes des autres. C'est impressionnant, dit Hebner. J'espère qu'ils pourront l'augmenter.
Jusqu'à présent, les réseaux de nanocondensateurs ne peuvent pas stocker beaucoup d'énergie totale car ils sont si petits. Au lieu de créer ces petits points, nous voulons créer une grande zone contenant des milliards de nanocondensateurs pour stocker de grandes quantités d'énergie, explique Lee. Lui et Rubloff disent que la mise à l'échelle à un niveau pratique n'est pas anodin, mais la paire travaille ensemble pour créer de plus grands tableaux. Il existe de nombreux problèmes de mise à l'échelle, dit Rubloff. Nous verrons à quel point nous pouvons les faire et les faire fonctionner.
Même si ce problème est résolu, ils devront toujours s'assurer qu'ils peuvent connecter efficacement plusieurs baies les unes aux autres. Mais Hebner dit que ce problème n'est pas insoluble, et il pointe vers des appareils sur le marché, y compris des détecteurs magnétiques sensibles, qui surmontent avec succès des problèmes de connectivité similaires.
Un avantage de la nouvelle méthode de fabrication est que les dimensions des nanopores et les épaisseurs respectives de l'électrode et de l'isolant peuvent être soigneusement contrôlées. La régularité et l'uniformité sont essentielles pour faire évoluer les nanotechnologies jusqu'à quelque chose de manufacturable et commercialisable, explique Rubloff. Il y a encore des obstacles majeurs, mais nous essayons de décider comment commercialiser cela – il y a certainement une soif de le faire.