Les chercheurs ont développé un supercondensateur ultramicro qui surpasse les modèles actuels en termes de stockage et de compacité. Sa conception intègre des transistors à effet de champ et des couches de bisulfure de molybdène et de graphène, ce qui entraîne une augmentation impressionnante de 3 000 % de la capacité dans des conditions spécifiques.
Un nouveau supercondensateur ultramicro présente un stockage d’énergie supérieur et une révolution potentielle dans les sources d’alimentation des appareils.
Des chercheurs du Département d’instrumentation et de physique appliquée (IAP) de l’Institut indien des sciences (IISc) ont conçu un nouveau supercondensateur ultramicro, un petit dispositif capable de stocker une énorme quantité de charge électrique. Il est également beaucoup plus petit et compact que les supercondensateurs existants et peut potentiellement être utilisé dans de nombreux appareils allant des lampadaires aux appareils électroniques grand public, en passant par les voitures électriques et les appareils médicaux.
La plupart de ces appareils sont actuellement alimentés par des piles. Cependant, avec le temps, ces batteries perdent leur capacité à stocker de la charge et ont donc une durée de conservation limitée. Les condensateurs, quant à eux, peuvent stocker une charge électrique beaucoup plus longtemps, grâce à leur conception. Par exemple, un condensateur fonctionnant à 5 volts continuera à fonctionner à la même tension même après une décennie. Mais contrairement aux batteries, elles ne peuvent pas décharger de l’énergie en permanence – pour alimenter un téléphone portable par exemple.
L’avantage des supercondensateurs
Les supercondensateurs, quant à eux, combinent le meilleur des batteries et des condensateurs : ils peuvent stocker et libérer de grandes quantités d’énergie et sont donc très recherchés pour les appareils électroniques de nouvelle génération.
Dans une étude récente, publiée dans Lettres énergétiques ACS, les chercheurs ont fabriqué leur supercondensateur en utilisant des transistors à effet de champ ou FET comme collecteurs de charge, au lieu des électrodes métalliques utilisées dans les condensateurs existants. « L’utilisation du FET comme électrode pour les supercondensateurs est quelque chose de nouveau pour régler la charge dans un condensateur », explique Abha Misra, professeur à l’IAP et auteur correspondant de l’étude.
Schéma de l’appareil. Crédit : Vinod Panwar et Pankaj Singh Chauhan
Innovations dans la conception de condensateurs
Les condensateurs actuels utilisent généralement des électrodes à base d’oxyde métallique, mais ils sont limités par une faible mobilité électronique. Par conséquent, Misra et son équipe ont décidé de construire des FET hybrides constitués d’une alternance de couches de bisulfure de molybdène (MoS) de quelques atomes d’épaisseur.2) et graphène – pour augmenter la mobilité des électrons – qui sont ensuite connectés à des contacts en or. Un électrolyte en gel solide est utilisé entre les deux électrodes FET pour construire un supercondensateur à semi-conducteurs. La structure entière est construite sur une base de dioxyde de silicium/silicium.
« La conception est la partie critique, car vous intégrez deux systèmes », explique Misra. Les deux systèmes sont les deux électrodes FET et l’électrolyte gel, un milieu ionique, qui ont des capacités de charge différentes. Vinod Panwar, doctorant à l’IAP et l’un des principaux auteurs, ajoute qu’il était difficile de fabriquer le dispositif pour obtenir toutes les caractéristiques idéales du transistor. Étant donné que ces supercondensateurs sont très petits, ils ne peuvent pas être vus sans microscope et le processus de fabrication nécessite une grande précision et une coordination œil-main.
Fabrication d’appareils en salle blanche par Vinod Panwar. Crédit : Pragya Sharma
Performances et projets futurs
Une fois le supercondensateur fabriqué, les chercheurs ont mesuré la capacité électrochimique ou la capacité de maintien de charge du dispositif en appliquant diverses tensions. Ils ont constaté que dans certaines conditions, la capacité augmentait de 3 000 %. En revanche, un condensateur contenant uniquement du MoS2 sans graphène, la capacité n’a été augmentée que de 18 % dans les mêmes conditions.
À l’avenir, les chercheurs envisagent d’explorer la possibilité de remplacer le MoS2 avec d’autres matériaux peuvent augmenter encore plus la capacité de leur supercondensateur. Ils ajoutent que leur supercondensateur est entièrement fonctionnel et peut être déployé dans des dispositifs de stockage d’énergie comme les batteries de voitures électriques ou tout système miniaturisé par intégration sur puce. Ils envisagent également de déposer un brevet sur le supercondensateur.
