Les supercondensateurs promettent de recharger les téléphones et autres appareils en quelques secondes et minutes au lieu d'heures pour les batteries. Mais les technologies actuelles ne sont généralement pas flexibles, ont des capacités insuffisantes, et pour beaucoup, leurs performances se dégradent rapidement avec les cycles de charge.

Des chercheurs de l'Université Queen Mary de Londres (QMUL) et de l'Université de Cambridge ont trouvé un moyen d'améliorer les trois problèmes d'un seul coup.

Leur électrode polymère prototypée, qui ressemble à une canne en bonbon habituellement accrochée à un sapin de Noël, atteint un stockage d'énergie proche de la limite théorique, mais fait également preuve de flexibilité et de résilience aux cycles de charge/décharge.

La technique pourrait être appliquée à de nombreux types de matériaux pour les supercondensateurs et permettre une charge rapide des téléphones portables, vêtements intelligents et dispositifs implantables.

La recherche a été publiée dans Lettres énergétiques ACS .

La solution

La pseudocapacitance est une propriété des supercondensateurs polymères et composites qui permet aux ions d'entrer à l'intérieur du matériau et donc d'emballer beaucoup plus de charge que ceux en carbone qui stockent principalement la charge sous forme d'ions concentrés (dans la soi-disant double couche) près de la surface.

Le problème des supercondensateurs polymères, cependant, est que les ions nécessaires à ces réactions chimiques ne peuvent accéder qu'aux quelques nanomètres supérieurs sous la surface du matériau, laissant le reste de l'électrode comme poids mort. La croissance de polymères sous forme de nano-structures est un moyen d'augmenter la quantité de matériau accessible près de la surface, mais cela peut coûter cher, difficile à faire évoluer, et entraîne souvent une mauvaise stabilité mécanique.

Les chercheurs, cependant, ont développé un moyen d'entrelacer des nanostructures dans un matériau en vrac, obtenant ainsi les avantages de la nanostructuration conventionnelle sans utiliser de méthodes de synthèse complexes ni sacrifier la ténacité du matériau.

Chef de projet, Stoyan Smoukov, expliqué :« Nos supercondensateurs peuvent stocker beaucoup de charge très rapidement, parce que la matière active mince (le polymère conducteur) est toujours en contact avec un deuxième polymère qui contient des ions, tout comme les régions minces rouges d'une canne en bonbon sont toujours à proximité des parties blanches. Mais c'est à une échelle beaucoup plus petite.

"Cette structure d'interpénétration permet au matériau de se plier plus facilement, ainsi que gonfler et rétrécir sans se fissurer, conduisant à une plus grande longévité. Cette méthode, c'est comme tuer pas seulement deux, mais trois oiseaux avec une pierre."

Les résultats

Le groupe Smoukov avait déjà lancé une voie combinatoire vers la multifonctionnalité en utilisant des réseaux polymères interpénétrés (IPN) dans lesquels chaque composant aurait sa propre fonction, plutôt que d'utiliser la chimie d'essais et d'erreurs pour adapter toutes les fonctions dans une molécule.

Cette fois, ils ont appliqué la méthode au stockage d'énergie, en particulier les supercondensateurs, en raison du problème connu d'une mauvaise utilisation du matériau profondément sous la surface de l'électrode.

Cette technique d'interpénétration augmente drastiquement la surface du matériau, ou plus précisément la zone d'interface entre les différents composants polymères.

L'interpénétration résout également deux autres problèmes majeurs des supercondensateurs. Il apporte flexibilité et ténacité car les interfaces arrêtent la croissance des fissures pouvant se former dans le matériau. Il permet également aux régions minces de gonfler et de rétrécir à plusieurs reprises sans développer de contraintes importantes, ils sont donc résistants électrochimiquement et conservent leurs performances sur de nombreux cycles de charge.

Les chercheurs conçoivent et évaluent actuellement de manière rationnelle une gamme de matériaux pouvant être adaptés au système polymère interpénétrant pour des supercondensateurs encore meilleurs.

Dans une revue à venir, accepté pour publication dans la revue Sustainable Energy and Fuels, ils donnent un aperçu des différentes techniques utilisées pour améliorer les multiples paramètres requis pour les nouveaux supercondensateurs.

De tels dispositifs pourraient être fabriqués dans des films autoportants souples et flexibles, qui pourrait alimenter l'électronique intégrée dans les vêtements intelligents, dispositifs portables et implantables, et la robotique douce. Les développeurs espèrent apporter leur contribution pour fournir une puissance omniprésente aux appareils émergents de l'Internet des objets (IoT), ce qui reste un défi de taille à venir.