Une mise à jour sur les recherches récemment rapportées sur les fibres de carbone poreuses montre comment ce matériau peut être utilisé dans un cadre industriel, marquant une étape importante de la théorie à l'application.

Guoliang "Greg" Liu, professeur assistant de chimie au College of Science et membre du Macromolecules Innovation Institute, a travaillé sur le développement de fibres de carbone avec des structures poreuses uniformes. Dans un article de journal publié récemment dans Avancées scientifiques , Liu a expliqué comment son laboratoire a utilisé des copolymères séquencés pour créer des fibres de carbone avec des mésopores uniformément dispersés, semblable à une éponge.

Juste une semaine après, Liu a publié un autre article, cette fois dans Communication Nature . Le nouvel article montre comment les fibres de carbone poreuses de Liu peuvent permettre une densité d'énergie élevée et des taux de charge électrons/ions élevés, qui sont typiquement mutuellement exclusifs dans les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique.

"C'est la prochaine étape qui sera pertinente pour l'industrie, " Liu a déclaré. "Nous voulons faire un processus favorable à l'industrie. Désormais, l'industrie devrait sérieusement considérer la fibre de carbone non seulement comme un matériau de structure, mais aussi comme une plate-forme de stockage d'énergie pour les voitures, avions, et d'autres."

Présentation des matériaux pseudocapacitifs

Les fibres de carbone sont déjà largement utilisées dans les industries aérospatiale et automobile en raison de leurs hautes performances dans une variété de domaines, y compris la résistance mécanique et le poids. La vision à long terme de Liu est de construire des coques extérieures de voitures à partir de fibres de carbone poreuses qui pourraient stocker de l'énergie dans les pores.

Mais le carbone en lui-même n'est pas suffisant. Bien qu'il s'agisse d'un matériau structurellement de première qualité, le carbone ne possède pas une densité d'énergie suffisamment élevée pour créer des supercondensateurs pour des applications très exigeantes.

La norme actuelle de l'industrie associe le carbone à ce que l'on appelle des matériaux pseudocapacitifs, qui débloquent la capacité de stocker une grande quantité d'énergie mais induisent un autre problème de vitesse de charge-décharge lente.

Un matériau pseudocapacitif couramment utilisé est l'oxyde de manganèse (MnO2) en raison de son faible coût et de ses performances raisonnables. Pour charger du MnO2 sur de la fibre de carbone ou un autre matériau, Liu trempe les fibres dans une solution de précurseur KMnO4. Le précurseur réagit alors avec le carbone, enlève une fine couche de carbone, et s'ancre sur le reste du carbone, créant une fine couche d'environ 2 nm d'épaisseur.

Mais l'industrie est confrontée à un défi avec le MnO2. Trop peu de MnO2 signifie que la capacité de stockage est trop faible. Trop de MnO2 crée une couche trop épaisse qui est électriquement isolante. Et pire, il ralentit le transport des ions. Les deux contribuent à des taux de charge-décharge lents.

"Nous voulons coupler le carbone avec des matériaux pseudocapacitifs car ils ont ensemble une densité d'énergie beaucoup plus élevée que le carbone pur. Maintenant, la question est de savoir comment résoudre le problème de la conductivité électronique et ionique, " dit Liu.

Cependant, Liu a découvert que ses fibres de carbone poreuses peuvent surmonter cette impasse. Les tests dans son laboratoire ont montré le meilleur des deux mondes :une charge élevée de MnO2 et des taux de charge et de décharge élevés et soutenus.

Le laboratoire de Liu a prouvé qu'il pouvait charger jusqu'à 7 mg/cm2 de MnO2 avant que les performances ne chutent. C'est le double ou presque le triple de la quantité de MnO2 que l'industrie peut actuellement utiliser.

« Nous avons atteint 84 % de la limite théorique de ce matériau à une charge massique de 7 mg/cm2, " a dit Liu. " Si vous chargez 7 mg/cm2 d'autres matériaux, vous n'y arriverez pas."

Candidatures à court terme

Au rythme où le laboratoire de Liu publie les résultats, les voitures propulsées par des coques extérieures pourraient arriver plus tôt qu'on ne le pense, mais Liu freine cette idée.

« Dans une vision à long terme, nous pourrions remplacer l'essence par des voitures à supercondensateurs électriques, " dit Liu. " En ce moment, le minimum de ce que nous pourrions faire est de l'utiliser comme pièce de stockage d'énergie dans les voitures."

Liu a déclaré qu'une application à plus court terme pourrait utiliser les pièces en fibre de carbone pour fournir beaucoup d'énergie sur une courte période afin d'accélérer les voitures plus rapidement.

Mais Liu regarde également au-delà de l'industrie automobile vers d'autres applications de transport.

"Si vous voulez qu'un drone livre des produits pour Amazon, vous voulez que le drone porte le plus de poids possible, et vous voulez que le drone soit le plus léger possible, " a déclaré Liu. " Les drones à base de fibre de carbone peuvent faire les deux tâches. Les fibres de carbone sont des matériaux structurels solides pour transporter les marchandises, et ce sont des matériaux de stockage d'énergie pour fournir de l'énergie pour le transport."

Les recherches sur ce matériau s'accélèrent dans le laboratoire de Liu, et il a dit qu'il avait encore beaucoup d'autres idées à tester.

"Ce que je crois, c'est que les fibres de carbone poreuses sont un matériau de plate-forme, " dit Liu. " Les deux premiers papiers, nous nous sommes concentrés sur le stockage d'énergie pour les véhicules. Mais nous pensons que ce matériau peut faire plus que cela. J'espère que nous pourrons bientôt raconter plus d'histoires."