Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont découvert que l'augmentation du désordre dans les électrodes de carbone des supercondensateurs améliore considérablement leur capacité de stockage d'énergie. Cette avancée pourrait renforcer le rôle des supercondensateurs dans les secteurs de la transition énergétique et des transports publics. Crédit : Issues.fr.com
La densité énergétique des supercondensateurs, des dispositifs similaires aux batteries qui peuvent se recharger rapidement en quelques secondes ou minutes seulement, peut être améliorée en augmentant le « désordre » de leur structure interne.
Des chercheurs dirigés par l'Université de Cambridge ont utilisé des techniques de modélisation expérimentale et informatique pour étudier les électrodes de carbone poreuses utilisées dans les supercondensateurs. Ils ont découvert que les électrodes ayant une structure chimique plus désordonnée stockaient beaucoup plus d’énergie que les électrodes ayant une structure hautement ordonnée.
Les supercondensateurs sont une technologie clé pour la transition énergétique et pourraient être utiles pour certaines formes de transports publics, ainsi que pour gérer la production intermittente d’énergie solaire et éolienne, mais leur adoption a été limitée par une faible densité énergétique.
Les chercheurs déclarent que leurs résultats, rapportés dans la revue Sciencereprésentent une percée dans le domaine et pourraient relancer le développement de cette importante technologie carboneutre.
Comparaison des supercondensateurs et des batteries
Comme les batteries, les supercondensateurs stockent de l’énergie, mais ils peuvent se charger en quelques secondes ou quelques minutes, alors que les batteries prennent beaucoup plus de temps. Les supercondensateurs sont bien plus durables que les batteries et peuvent durer des millions de cycles de charge. Cependant, la faible densité énergétique des supercondensateurs les rend impropres au stockage d’énergie à long terme ou à l’alimentation continue.
« Les supercondensateurs sont une technologie complémentaire aux batteries, plutôt qu'un remplacement », a déclaré le Dr Alex Forse du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a dirigé la recherche. « Leur durabilité et leurs capacités de charge extrêmement rapides les rendent utiles pour un large éventail d’applications. »
De gauche à droite : Professeur Dame Clare Grey, Xinyu Liu, Dr Alex Forse. Crédit : Nathan Pitt
Un bus, un train ou un métro alimenté par des supercondensateurs, par exemple, pourrait se recharger complètement dans le temps nécessaire pour permettre aux passagers de monter et descendre, ce qui leur fournirait suffisamment d'énergie pour atteindre le prochain arrêt. Cela éliminerait la nécessité d’installer une infrastructure de recharge le long de la ligne. Cependant, avant que les supercondensateurs ne soient largement utilisés, leur capacité de stockage d’énergie doit être améliorée.
Alors qu’une batterie utilise des réactions chimiques pour stocker et libérer une charge, un supercondensateur repose sur le mouvement de molécules chargées entre des électrodes de carbone poreuses, qui ont une structure très désordonnée. « Pensez à une feuille de graphène, qui a une structure chimique hautement ordonnée », a déclaré Forse. « Si vous transformez cette feuille de graphène en boule, vous obtenez un désordre désordonné, qui ressemble un peu à l'électrode d'un supercondensateur. »
Percée dans la compréhension de la structure des électrodes
En raison du désordre inhérent aux électrodes, il a été difficile pour les scientifiques de les étudier et de déterminer quels paramètres sont les plus importants lorsqu'ils tentent d'améliorer les performances. Cette absence de consensus clair a conduit le domaine à se retrouver dans une certaine impasse.
De nombreux scientifiques pensaient que la taille des minuscules trous, ou nanopores, dans les électrodes de carbone était la clé de l’amélioration de la capacité énergétique. Cependant, l’équipe de Cambridge a analysé une série d’électrodes de carbone nanoporeuses disponibles dans le commerce et a découvert qu’il n’y avait aucun lien entre la taille des pores et la capacité de stockage.
Xinyu Liu avec un modèle de graphène (à gauche) et une électrode de carbone désordonnée (à droite). Crédit : Nathan Pitt
Forse et ses collègues ont adopté une nouvelle approche et ont utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) – une sorte d'« IRM » pour les batteries – pour étudier les matériaux des électrodes. Ils ont découvert que le désordre des matériaux – longtemps considéré comme un obstacle – était en fait la clé de leur succès.
« En utilisant la spectroscopie RMN, nous avons constaté que la capacité de stockage d'énergie est en corrélation avec le degré de désordre des matériaux – plus les matériaux désordonnés sont capables de stocker plus d'énergie », a déclaré le premier auteur Xinyu Liu, doctorant co-supervisé par Forse et le professeur Dame Clare Gray. . « Le désordre est quelque chose de difficile à mesurer – cela n'est possible que grâce aux nouvelles techniques de RMN et de simulation, c'est pourquoi le désordre est une caractéristique négligée dans ce domaine. »
Lors de l’analyse des matériaux d’électrode par spectroscopie RMN, un spectre avec différents pics et vallées est produit. La position du pic indique à quel point le carbone est ordonné ou désordonné. « Ce n'était pas notre intention de rechercher cela, c'était une grosse surprise », a déclaré Forse. « Lorsque nous avons tracé la position du pic en fonction de la capacité énergétique, une corrélation frappante est apparue : les matériaux les plus désordonnés avaient une capacité presque deux fois supérieure à celle des matériaux les plus ordonnés. »
Alors pourquoi le désordre est-il une bonne chose ? Forse dit que c'est la prochaine chose sur laquelle l'équipe travaille. Des carbones plus désordonnés stockent les ions plus efficacement dans leurs nanopores, et l’équipe espère utiliser ces résultats pour concevoir de meilleurs supercondensateurs. Le caractère salissant des matériaux est déterminé au moment où ils sont synthétisés.
« Nous voulons étudier de nouvelles façons de fabriquer ces matériaux, pour voir jusqu'où le désordre peut vous mener en termes d'amélioration du stockage d'énergie », a déclaré Forse. « Cela pourrait être un tournant pour un secteur bloqué depuis un petit moment. Clare et moi avons commencé à travailler sur ce sujet il y a plus de dix ans, et c'est passionnant de voir qu'une grande partie de nos travaux fondamentaux antérieurs ont désormais une application claire.
La recherche a été financée en partie par les Cambridge Trusts, le Conseil européen de la recherche et UK Research and Innovation (UKRI).
