Ces rangées de nanotubes de carbone ressemblant à des forêts ont été créées sur un substrat en élastomère qui a été pré-étiré dans une direction puis laissé se contracter. Ce processus crée des supercondensateurs extensibles qui retiennent plus de charge dans moins d'espace et restent fonctionnels même lorsqu'ils sont étirés à huit fois leur taille d'origine. Crédit :Changyong Cao, Université de Michigan
Des chercheurs de l'Université Duke et de l'Université d'État du Michigan ont conçu un nouveau type de supercondensateur qui reste entièrement fonctionnel même lorsqu'il est étiré à huit fois sa taille d'origine. Il ne présente aucune usure due à des étirements répétés et ne perd que quelques points de pourcentage de performance énergétique après 10, 000 cycles de charge et de décharge.
Les chercheurs envisagent le supercondensateur faisant partie d'un système indépendant de l'alimentation, extensible, système électronique flexible pour des applications telles que l'électronique portable ou les dispositifs biomédicaux.
Les résultats paraissent en ligne le 19 mars dans Question , un journal de Cell Press. L'équipe de recherche comprend l'auteur principal Changyong Cao, professeur assistant d'emballage, génie mécanique et génie électrique et informatique à la Michigan State University (MSU), et auteur principal Jeff Glass, professeur de génie électrique et informatique à Duke. Leurs co-auteurs sont les doctorants Yihao Zhou et Qiwei Han et le chercheur Charles Parker de Duke, ainsi qu'un doctorat Yunteng Cao, étudiant des Massachusetts Institutes of Technology.
"Notre objectif est de développer des dispositifs innovants capables de résister aux déformations mécaniques comme l'étirement, torsion ou flexion sans perte de performance, " dit Cao, directeur du Laboratoire des machines molles et de l'électronique à MSU. "Mais si la source d'alimentation d'un appareil électronique extensible n'est pas extensible, alors l'ensemble du système de l'appareil sera contraint de ne pas être extensible."
Un supercondensateur (également parfois appelé ultracondensateur) stocke l'énergie comme une batterie, mais avec quelques différences importantes. Contrairement aux piles, qui stockent l'énergie chimiquement et génèrent des charges par des réactions chimiques, un supercondensateur électrostatique double couche (EDLSC), stocke l'énergie par séparation de charge et ne peut pas créer sa propre électricité. Il doit être chargé à partir d'une source extérieure. Pendant la charge, des électrons sont accumulés sur une partie de l'appareil et retirés de l'autre, de sorte que lorsque les deux côtés sont connectés, l'électricité circule rapidement entre eux.
Contrairement aux piles, les supercondensateurs sont capables de décharger leur énergie en rafales courtes mais massives, plutôt que par une longue, filet lent. Ils peuvent également se charger et se décharger beaucoup plus rapidement qu'une batterie et tolérer beaucoup plus de cycles de charge-décharge qu'une batterie rechargeable. Cela les rend parfaits pour court, applications à haute puissance telles que le déclenchement du flash dans un appareil photo ou les amplificateurs dans une chaîne stéréo.
Mais la plupart des supercondensateurs sont tout aussi durs et cassants que tout autre composant d'un circuit imprimé. C'est pourquoi Cao et Glass ont passé des années à travailler sur une version extensible.
Dans leur nouveau papier, les chercheurs démontrent l'aboutissement de leur travail à ce point, fabrication d'un supercondensateur de la taille d'un timbre pouvant transporter plus de deux volts. Lors de la connexion de quatre ensemble, comme de nombreux appareils nécessitent des piles AA ou AAA, les supercondensateurs pourraient alimenter une montre Casio à deux volts pendant une heure et demie.
Lorsque des forêts de nanotubes de carbone sont placées sur un substrat élastomère pré-étiré dans deux directions, cela crée un labyrinthe de spaghettis au lieu de rangées, améliorer les performances du supercondensateur extensible. Crédit :Changyong Cao, Université de Michigan
Pour fabriquer les supercondensateurs extensibles, Glass et son équipe de recherche cultivent d'abord une forêt de nanotubes de carbone - une parcelle de millions de nanotubes de seulement 15 nanomètres de diamètre et de 20 à 30 micromètres de haut - au-dessus d'une plaquette de silicium. C'est à peu près la largeur de la plus petite bactérie et la hauteur de la cellule animale qu'elle infecte.
Les chercheurs ont ensuite appliqué une fine couche de nanofilm d'or sur la forêt de nanotubes de carbone. La couche d'or agit comme une sorte de collecteur électrique, faire chuter la résistance de l'appareil d'un ordre de grandeur en dessous des versions précédentes, ce qui permet à l'appareil de se charger et de se décharger beaucoup plus rapidement.
Glass confie ensuite le processus d'ingénierie à Cao, qui transfère la forêt de nanotubes de carbone sur un substrat élastomère pré-étiré avec la base côté or vers le bas. L'électrode remplie de gel est ensuite relâchée pour permettre à la précontrainte de se libérer, l'amenant à rétrécir à un quart de sa taille d'origine. Ce processus froisse la fine couche d'or et écrase les "arbres" dans la forêt de nanotubes de carbone.
"Le froissement augmente considérablement la quantité de surface disponible dans un petit espace, ce qui augmente la quantité de charge qu'il peut contenir, " expliqua Glass. " Si nous avions toute la place du monde pour travailler, une surface plane ferait l'affaire. Mais si nous voulons un supercondensateur qui puisse être utilisé dans de vrais appareils, nous devons le rendre aussi petit que possible."
La forêt super dense est ensuite remplie d'un électrolyte gel qui peut piéger les électrons à la surface des nanotubes. Lorsque deux de ces électrodes finales sont serrées l'une contre l'autre, une tension appliquée charge un côté avec des électrons tandis que l'autre est drainé, créant un supercondensateur chargé super extensible.
"Nous avons encore du travail à faire pour construire un système électronique extensible complet, " a déclaré Cao. " Le supercondensateur présenté dans cet article ne va pas aussi loin que nous le souhaitons pour le moment. Mais avec cette base d'un supercondensateur extensible robuste, nous pourrons l'intégrer dans un système composé de fils étirables, capteurs et détecteurs pour créer des dispositifs entièrement extensibles."
Supercondensateurs extensibles, expliquent les chercheurs, pourraient alimenter à eux seuls certains appareils futuristes, ou ils pourraient être combinés avec d'autres composants pour surmonter les défis d'ingénierie. Par exemple, les supercondensateurs peuvent être chargés en quelques secondes, puis recharger lentement une batterie qui agit comme la principale source d'énergie d'un appareil. Cette approche a été utilisée pour le freinage régénératif dans les voitures hybrides, où l'énergie est générée plus rapidement qu'elle ne peut être stockée. Les supercondensateurs augmentent l'efficacité de l'ensemble du système. Ou comme le Japon l'a déjà démontré, les supercondensateurs peuvent alimenter un bus pour les déplacements urbains, effectuer une recharge complète à chaque arrêt dans le court laps de temps qu'il faut pour charger et décharger les passagers.
"Beaucoup de gens veulent coupler des supercondensateurs et des batteries, " Glass a déclaré. "Un supercondensateur peut charger rapidement et survivre à des milliers voire des millions de cycles de charge, tandis que les batteries peuvent stocker plus de charge afin qu'elles puissent durer longtemps. Les assembler vous offre le meilleur des deux mondes. Ils remplissent deux fonctions différentes au sein du même système électrique."
