Supercondensateurs en forme de fil créés par des chercheurs de NC State au Wilson College of Textiles. Crédit : Nanfei He
Avec la fascination croissante pour la technologie portable, les efforts visant à développer des solutions de stockage d’énergie pouvant être intégrées dans les tissus se sont intensifiées. Des scientifiques de l’Université d’État de Caroline du Nord ont découvert le « point idéal » où une technologie de stockage d’énergie filiforme, connue sous le nom de « supercondensateur en forme de fil » (YSC), produit le flux d’énergie le plus élevé et le plus efficace par unité de longueur.
« En ce qui concerne la durée du YSC, il s’agit d’un compromis entre puissance et énergie », a déclaré Wei Gao, auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur agrégé d’ingénierie textile, de chimie et de sciences à NC State. « Il ne s’agit pas seulement de la quantité d’énergie que vous pouvez stocker, mais aussi de la résistance interne qui nous intéresse. »
Plus précisément, les chercheurs ont découvert que les YSC dans la plage de 40 à 60 centimètres fournissaient le meilleur rendement énergétique global.
Résultats et méthodologie de l’étude
Des recherches antérieures sur les YSC ont donné des résultats variés et parfois contradictoires en ce qui concerne la production d’énergie en fonction de la longueur. Le but de la nouvelle étude, a déclaré Gao, était de fournir un modèle cohérent et complet pour expliquer les changements dans les performances du YSC sur une large gamme de longueurs.
Pour ce faire, les chercheurs ont d’abord fabriqué plusieurs YSC en utilisant des paires de fils d’électrodes incorporés au charbon actif et un électrolyte en gel. Des fils de nylon ont été enroulés autour de chaque fil pour éviter tout court-circuit, puis les deux électrodes ont été reliées ensemble et recouvertes davantage du même gel électrolyte. Les chercheurs ont créé ces YSC en segments allant de 10 à 300 cm de long, puis y ont fait passer des courants électriques de différentes fréquences. Cela leur a permis de mesurer deux caractéristiques : la résistance interne, qui mesure la quantité de courant électrique qui est entravée lors de la tentative de déplacement dans une batterie, et la capacité, qui est la capacité à stocker de l’énergie électrique.
Les chercheurs ont découvert que la capacité augmentait généralement de manière linéaire avec des longueurs comprises entre 10 et 60 cm, après quoi les gains de capacité ralentissaient considérablement à mesure que la longueur augmentait. Les résultats ont également été influencés par la fréquence de l’électricité – ou la vitesse à laquelle le courant électrique oscille. En fonction de la fréquence électrique du courant, les YSC connaîtraient une diminution des gains de capacité jusqu’à 300 cm de longueur, bien que certains plafonnent à environ 150 cm. Les modèles mathématiques ont également montré que les YSC entre 40 et 80 cm présentaient la résistance interne la plus faible, ce qui a conduit les chercheurs à déterminer que 40 à 60 cm était la longueur globale la plus efficace.
Applications potentielles et orientations futures
L’auteur principal Nanfei He, chercheur postdoctoral à NC State, a déclaré que l’étude faisait partie d’un effort plus large visant à créer des YSC pouvant être intégrés dans les vêtements.
« L’identification de la longueur optimale des YSC est essentielle pour leur utilisation efficace, guidant le développement de stratégies pour une intégration transparente dans les tissus », a-t-il déclaré.
Le financement de l’étude provenait du Bureau de recherche de l’armée américaine, et Gao a déclaré qu’elle imaginait que les premières demandes de YSC seraient principalement axées sur l’armée.
« Imaginez que vous puissiez fabriquer un fil, juste un fil textile ordinaire, que vous transformez également en batterie », a déclaré Gao. « Vous pouvez essentiellement le cacher dans vos vêtements. Si vous y parvenez, vous pouvez ajouter bien plus de fonctions à vos vêtements.
Il reste encore du travail à faire avant que les YSC deviennent viables pour des applications pratiques.
« La technologie n’est pas encore mature, et c’est pourquoi il y a autant de financements et autant d’intérêt pour son développement », a déclaré Gao. « Nous pouvons fabriquer des batteries de fils, mais pouvons-nous les rendre durables, fiables et sûres ? Pouvons-nous les rendre lavables ? Si vous envisagez de l’appliquer sur votre corps, il y a tellement d’autres défis en plus de ses fonctions de stockage d’énergie. Pour le moment, nous nous concentrons sur l’aspect fiabilité, en veillant à ce que si vous tordez et déplacez le fil, il fonctionnera toujours. Cela, plus la sécurité, sont les principaux problèmes, et je pense qu’une fois que nous aurons atteint ces deux objectifs, cela élargira considérablement la portée de leurs applications.
L’article a été co-écrit par Nanfei He, chercheur postdoctoral à NC State, Xi Zhang, chercheur à l’Institut de technologie de Yancheng, et Junhua Song et Feng Zhao de Storagenergy Technologies, Inc.
Le travail a été réalisé avec le soutien du Bureau de recherche de l’armée américaine sous les subventions W911NF19C0074 et W911NF18C0086.
