Les supercondensateurs sont un type d’appareil qui porte bien son nom et qui peut stocker et fournir de l’énergie plus rapidement que les batteries conventionnelles. Ils sont très demandés pour des applications telles que les voitures électriques, les télécommunications sans fil et les lasers de grande puissance.

Mais pour réaliser ces applications, les supercondensateurs ont besoin de meilleures électrodes, qui relient le supercondensateur aux dispositifs qui dépendent de leur énergie. Ces électrodes doivent être à la fois plus rapides et moins chères à fabriquer à grande échelle et également capables de charger et décharger leur charge électrique plus rapidement. Une équipe d'ingénieurs de l'Université de Washington pense avoir mis au point un procédé de fabrication de matériaux d'électrodes pour supercondensateurs qui répondra à ces exigences industrielles et d'utilisation strictes.

Les chercheurs, dirigés par Peter Pauzauskie, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW, ont publié un article le 17 juillet dans la revue Nature Microsystems and Nanoengineering décrivant leur électrode de supercondensateur et la manière rapide et peu coûteuse avec laquelle ils l'ont fabriquée. Leur nouvelle méthode commence avec des matériaux riches en carbone qui ont été séchés dans une matrice de faible densité appelée aérogel. Cet aérogel à lui seul peut agir comme une électrode brute, mais l'équipe de Pauzauskie a plus que doublé sa capacité, qui correspond à sa capacité à stocker une charge électrique.

Ces matières premières peu coûteuses, associées à un processus de synthèse rationalisé, minimisent deux obstacles courants à l’application industrielle : le coût et la rapidité.

« Dans les applications industrielles, le temps, c'est de l'argent », a déclaré Pauzauskie. « Nous pouvons fabriquer les matières premières pour ces électrodes en quelques heures, plutôt qu'en quelques semaines. Et cela peut réduire considérablement le coût de synthèse pour fabriquer des électrodes de supercondensateur hautes performances.

Des électrodes de supercondensateur efficaces sont synthétisées à partir de matériaux riches en carbone qui présentent également une surface spécifique élevée. Cette dernière exigence est essentielle en raison de la manière unique dont les supercondensateurs stockent la charge électrique. Alors qu’une batterie conventionnelle stocke les charges électriques via les réactions chimiques qui s’y produisent, un supercondensateur stocke et sépare les charges positives et négatives directement à sa surface.

"Les supercondensateurs peuvent agir beaucoup plus rapidement que les batteries car ils ne sont pas limités par la vitesse de réaction ou les sous-produits qui peuvent se former", a déclaré le co-auteur principal Matthew Lim, doctorant à l'UW au Département de science et d'ingénierie des matériaux. "Les supercondensateurs peuvent se charger et se décharger très rapidement, c'est pourquoi ils sont excellents pour délivrer ces 'impulsions' de puissance."

"Ils ont d'excellentes applications dans des contextes où une batterie seule est trop lente", a déclaré son collègue auteur principal Matthew Crane, doctorant au département de génie chimique de l'UW. "Dans les moments où une batterie est trop lente pour répondre à la demande énergétique, un supercondensateur doté d'une électrode de grande surface pourrait "intervenir" rapidement et compenser le déficit énergétique."

Pour obtenir une surface élevée pour une électrode efficace, l’équipe a utilisé des aérogels. Il s'agit de substances humides, semblables à un gel, qui ont subi un traitement spécial de séchage et de chauffage pour remplacer leurs composants liquides par de l'air ou un autre gaz. Ces méthodes préservent la structure 3D du gel, lui conférant une surface élevée et une densité extrêmement faible. C'est comme retirer toute l'eau du Jell-O sans rétrécir.

"Un gramme d'aérogel contient à peu près autant de surface qu'un terrain de football", a déclaré Pauzauskie.

Crane a fabriqué des aérogels à partir d'un polymère semblable à un gel, un matériau comportant des unités structurelles répétitives, créé à partir de formaldéhyde et d'autres molécules à base de carbone. Cela garantissait que leur dispositif, comme les électrodes des supercondensateurs actuels, serait constitué de matériaux riches en carbone.

Auparavant, Lim avait démontré que l’ajout de graphène – qui est une feuille de carbone d’un seul atome d’épaisseur – au gel imprégnait l’aérogel résultant de propriétés de supercondensateur. Mais Lim et Crane devaient améliorer les performances de l'aérogel et rendre le processus de synthèse moins cher et plus facile.

Dans les expériences précédentes de Lim, l’ajout de graphène n’avait pas amélioré la capacité de l’aérogel. Ils ont donc chargé les aérogels de fines feuilles de bisulfure de molybdène ou de bisulfure de tungstène. Ces deux produits chimiques sont aujourd’hui largement utilisés dans les lubrifiants industriels.

Les chercheurs ont traité les deux matériaux avec des ondes sonores à haute fréquence pour les diviser en fines feuilles et les ont incorporés dans la matrice de gel riche en carbone. Ils pourraient synthétiser un gel humide entièrement chargé en moins de deux heures, alors que d’autres méthodes prendraient plusieurs jours.

Après avoir obtenu l’aérogel séché de faible densité, ils l’ont combiné avec des adhésifs et un autre matériau riche en carbone pour créer une « pâte » industrielle que Lim pouvait simplement étaler en feuilles de quelques millièmes de pouce d’épaisseur seulement. Ils ont découpé des disques d'un demi-pouce dans la pâte et les ont assemblés dans de simples boîtiers de pile bouton pour tester l'efficacité du matériau en tant qu'électrode de supercondensateur.

Non seulement leurs électrodes étaient rapides, simples et faciles à synthétiser, mais elles présentaient également une capacité au moins 127 % supérieure à celle de l’aérogel riche en carbone seul.

Lim et Crane s'attendent à ce que les aérogels chargés de feuilles encore plus fines de bisulfure de molybdène ou de disulfure de tungstène (leur épaisseur mesurait environ 10 à 100 atomes) présenteraient des performances encore meilleures. Mais d’abord, ils voulaient montrer que les aérogels chargés seraient plus rapides et moins coûteux à synthétiser, étape nécessaire à la production industrielle. La mise au point vient ensuite.

L’équipe estime que ces efforts peuvent contribuer à faire progresser la science même en dehors du domaine des électrodes de supercondensateur. Leur bisulfure de molybdène en suspension dans un aérogel pourrait rester suffisamment stable pour catalyser la production d'hydrogène. Et leur méthode pour piéger rapidement les matériaux dans des aérogels pourrait être appliquée aux batteries à haute capacité ou à la catalyse.