Si les scientifiques tiennent un jour la promesse d'organes artificiels implantables ou de vêtements qui se dessèchent tout seuls, ils devront d'abord résoudre le problème des batteries inflexibles qui s'épuisent trop rapidement. Ils se rapprochent, et aujourd'hui, les chercheurs rapportent qu'ils ont développé un nouveau matériau en tissant deux polymères ensemble d'une manière qui augmente considérablement la capacité de stockage de charge.

Les chercheurs présenteront leurs travaux aujourd'hui lors de la 255e réunion et exposition nationale de l'American Chemical Society (ACS).

"Nous avions développé des réseaux polymères pour une application différente impliquant l'actionnement et la détection tactile, " dit Tiesheng Wang. " Après le projet, nous avons réalisé que l'étirable, le matériau pliable que nous avions fabriqué pourrait potentiellement être utilisé pour le stockage d'énergie."

Piles, spécifiquement les batteries lithium-ion, dominent le paysage du stockage d'énergie. Cependant, les réactions chimiques sous-jacentes au processus de charge et de décharge des batteries sont lentes, limiter la puissance qu'ils peuvent fournir. Plus, les batteries ont tendance à se dégrader avec le temps, nécessitant un remplacement. Un dispositif de stockage d'énergie alternatif, le supercondensateur, charge rapidement et génère une puissance importante, qui pourrait potentiellement permettre aux voitures électriques d'accélérer plus rapidement, entre autres applications. Plus, les supercondensateurs stockent l'énergie électrostatiquement, pas chimiquement, ce qui les rend plus stables et durables que de nombreuses batteries. Mais les supercondensateurs actuellement disponibles dans le commerce nécessitent des liants et ont une faible densité d'énergie, limitant leur application dans l'électronique passe-partout émergente.

Wang, un étudiant diplômé dans le laboratoire de Stoyan Smoukov, Doctorat., à l'Université de Cambridge (Royaume-Uni) soupçonnait qu'un matériau à base de polymère conducteur flexible d'un autre projet sur lequel ils travaillaient pourrait être une meilleure alternative. Polymères conducteurs, comme poly(3, 4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT), sont des supercondensateurs candidats qui présentent des avantages par rapport aux supercondensateurs traditionnels à base de carbone en tant que matériaux de stockage de charge. Ils sont pseudocapacitifs, c'est-à-dire qu'ils permettent des réactions électrochimiques réversibles, et ils sont également chimiquement stables et peu coûteux. Cependant, les ions ne peuvent pénétrer dans les polymères qu'à quelques nanomètres de profondeur, laissant une grande partie du matériau comme poids mort. Les scientifiques travaillant pour améliorer la mobilité des ions avaient précédemment développé des nanostructures qui déposent de fines couches de polymères conducteurs sur des matériaux de support, qui améliore les performances du supercondensateur en rendant une plus grande partie du polymère accessible aux ions. L'inconvénient, selon Wang, est que ces nanostructures peuvent être fragiles, difficile à fabriquer de manière reproductible à grande échelle et faible en stabilité électrochimique, limitant leur applicabilité.

Donc, Smoukov et Wang ont développé un matériau plus robuste en tissant ensemble un polymère conducteur avec un polymère de stockage d'ions. Les deux polymères ont été cousus ensemble pour former une géométrie semblable à une canne à sucre, avec un polymère jouant le rôle de la bande blanche et l'autre, rouge. Tandis que PEDOT conduit l'électricité, l'autre polymère, poly(oxyde d'éthylène) (PEO), peut stocker des ions. La géométrie entrelacée est déterminante pour les avantages du stockage d'énergie, Wang dit, car il permet aux ions d'accéder à une plus grande partie du matériau dans l'ensemble, approche de la « limite théorique ».

Une fois testé, le supercondensateur en canne à sucre a démontré des améliorations par rapport au PEDOT seul en ce qui concerne la flexibilité et la stabilité au cycle. Il avait également près du double de la capacité spécifique par rapport aux supercondensateurs conventionnels à base de PEDOT.

Toujours, il y a place à amélioration, dit Smoukov. « Dans les expériences futures, nous remplacerons la polyaniline par PEDOT pour augmenter la capacité, " dit-il. " Polyaniline, car il peut stocker plus de charge par unité de masse, pourrait potentiellement stocker trois fois plus d'électricité que PEDOT pour un poids donné." Cela signifie que des batteries plus légères avec le même stockage d'énergie peuvent être chargées plus rapidement, qui est une considération importante dans le développement de nouveaux wearables, robots et autres appareils.