Une image de microscopie électronique à balayage d'électrodes de nanotubes de carbone alignées verticalement recouvertes de bisulfure de titane déposée une couche atomique à la fois. L'encart agrandi montre des électrodes individuelles de nanotubes de carbone revêtus de bisulfure de titane (μm =micromètre).
Un supercondensateur récemment découvert a la densité d'énergie la plus élevée de tous les systèmes comparables, comme l'a démontré une équipe d'utilisateurs et de personnel de Molecular Foundry. Ces ultracondensateurs peuvent être chargés et déchargés à plusieurs reprises. La nouvelle approche de conception de l'équipe les rend également très stables.
Le nouveau supercondensateur fonctionne bien mieux que les versions précédentes. Il est moins susceptible de se décharger ou de se court-circuiter. Spécifiquement, il a une fenêtre de tension de fonctionnement trois fois plus grande qu'auparavant. Plus loin, il a la densité d'énergie la plus élevée de tous les condensateurs similaires. La tension plus élevée et la densité d'énergie élevée signifient que la batterie peut atteindre une puissance plus élevée et une durée de fonctionnement plus longue, ce qui suggère qu'elles pourraient être une alternative compétitive aux batteries au lithium.
Les condensateurs sont des composants électriques qui stockent de l'énergie et sont largement utilisés dans les appareils électroniques. Supercondensateurs typiques, nommés pour leur capacité à stocker plus de charge électrique que les condensateurs standard, stocker la charge « physiquement » par l'accumulation de charges sur leurs surfaces. D'autre part, les pseudocondensateurs peuvent stocker la charge "chimiquement" par des réactions redox où une espèce transfère des électrons à une autre, semblable à une batterie.
Les pseudocondensateurs peuvent stocker autant de charge que certaines batteries; cependant, tandis qu'une batterie se charge et se décharge sur plusieurs heures (par exemple, charger et utiliser votre téléphone portable ou votre ordinateur portable), les pseudocondensateurs peuvent fonctionner beaucoup plus rapidement, sur une échelle de quelques dizaines de secondes à plusieurs minutes. Les supercondensateurs présentent souvent une densité de puissance élevée et une longue durée de vie, mais sont limités par une faible densité d'énergie. Alors que les pseudocondensateurs stockent plus d'énergie, leur utilisation généralisée a été entravée par leur fenêtre de tension électrochimique étroite, qui est la plage de tension où les matériaux des électrodes sont stables.
A lui seul, le disulfure de titane est léger, pas cher, et présente de nombreux avantages potentiels s'il est utilisé dans un système de stockage d'énergie à base de lithium, mais le matériau se dégrade rapidement et a une conductivité relativement faible. Il a déjà été démontré que le revêtement de disulfure de titane nanocristallin sur des nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNT) peut former des Réseaux poreux 3D pour améliorer la conductivité électrique, augmenter la superficie, et stabiliser les réactions électrochimiques. Cependant, les méthodes existantes pour créer ces pseudocondensateurs ont des problèmes de couverture uniforme, contamination, et une toxicité élevée.
Les chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont travaillé avec Adam Schwartzberg de la Molecular Foundry, un expert en dépôt de couche atomique (ALD), développer un procédé en deux étapes combinant l'ALD avec un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour fabriquer des électrodes VACNT revêtues qui ont des nanostructures définies avec précision. Lorsqu'il est utilisé avec un électrolyte lithium-ion à ultra-haute concentration, le supercondensateur "hybride" a une fenêtre de tension de fonctionnement trois fois plus grande qu'auparavant, ce qui le rend comparable aux systèmes à électrolyte organique. Le supercondensateur hybride a également la densité d'énergie la plus élevée de tous les autres pseudocondensateurs. Les nouvelles capacités pourraient fournir une alternative aux batteries au lithium.
Les scientifiques pourraient utiliser la nouvelle méthode de fabrication combinant ALD et CVD pour revêtir du disulfure de titane ou d'autres matériaux métalliques de transition sur une variété de substrats. Ces revêtements pourraient conduire à de nouvelles avancées dans la prochaine génération de systèmes de stockage d'énergie.
