Nous vivons dans les temps modernes, qui est plein d'électronique. Téléphones intelligents, ordinateurs portables, comprimés, et de nombreux autres appareils ont besoin d'énergie électrique pour fonctionner. Les appareils portables nous ont facilité la vie, des solutions novatrices en matière d'énergie propre et de son stockage sont donc souhaitables. Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont les solutions les plus courantes qui dominent le marché mondial et constituent un énorme problème en raison de leur récupération insuffisante. En raison de leur puissance limitée, cycle de vie court, et nature non respectueuse de l'environnement, les scientifiques se sont récemment concentrés sur de nouvelles solutions comme les supercondensateurs qui offrent bien plus que des batteries. Pourquoi? Regardons de plus près ces appareils.

Les supercondensateurs réunissent les propriétés d'un condensateur standard et de la batterie Li-ion. En pratique, ces appareils stockent plus d'énergie que les condensateurs et fournissent de l'énergie plus rapidement que les batteries. Leur secret est à l'intérieur, cachant deux composants essentiels. La première est constituée de deux électrodes très poreuses constituées du matériau conducteur de l'électricité; ces électrodes sont séparées par une membrane pour éviter un raccourci. Le second est un électrolyte qui joue un rôle crucial dans les supercondensateurs. L'électrolyte a beaucoup d'ions qui sont proches les uns des autres et remplissent les pores. Il existe deux types d'ions :les cations appelés positivement et les anions chargés négativement.

Lorsque l'appareil est allumé (la différence de potentiel est appliquée entre ces deux électrodes), les ions commencent à entrer et sortir des pores (les cations et les anions se déplacent dans des directions opposées), et le courant électrique circule. L'un des matériaux les plus couramment utilisés pour maintenir la porosité est le charbon actif. Si les pores sont gros, l'appareil se charge rapidement mais stocke peu d'énergie. Si les pores sont étroits, l'appareil fournit plus d'énergie mais se charge plus lentement. Cela signifie-t-il que plus petit est meilleur ? Oui, cependant, la vitesse des ions pensait que leur voyage dans les pores devait être accéléré.

Récemment, un groupe international dirigé par Svyatoslav Kondrat de l'Institut de chimie physique, L'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) a présenté des travaux de recherche décrivant comment accélérer le transport des ions dans les pores étroits. Pourquoi? Pour charger le supercondensateur plus rapidement. Tout d'abord, les chercheurs se sont concentrés sur la théorie. Ils présentaient des pores en forme de fente d'une taille d'environ 0,6 nm, C'est, 0,6 mètre divisé en milliards de morceaux, juste légèrement plus gros que l'ion lui-même, tandis que sa longueur était inférieure à 20 nm. Quelle petite taille ! Il est encore plus petit que les virus.

Lorsque les électrodes sont polarisées (le potentiel externe est appliqué aux électrodes pour pousser les ions dans des directions particulières), les ions à l'extérieur des pores se précipitent vers les pores. Imaginez qu'ils se déplacent comme des voitures sur une autoroute, entrer dans un tunnel très étroit. Cependant, au lieu de deux, Trois, ou quatre voies en sens inverse, toutes les voies sont fusionnées. Quand les voitures vont vite, l'autoroute est très fréquentée, et ils peuvent rapidement bloquer le tunnel et se retrouver coincés dans la circulation. La même chose arrive aux ions. Lorsque la différence de potentiel appliquée à une électrode varie trop rapidement, les ions entrant dans les pores de l'électrode bloquent les ions qui tentent de sortir des pores. De cette façon, les pores sont obstrués. Qu'est-ce que cela signifie en pratique?

Les mauvaises nouvelles, cela signifie une charge plus lente (densité de puissance plus faible) du supercondensateur. Les chercheurs ont proposé la solution :ne poussons pas les ions trop vite mais, bien, pas trop lent non plus; ajustons la vélocité d'un petit pas. Sur la base de leur idée, ils ont effectué plusieurs simulations informatiques complexes qui ont donné des résultats prometteurs. C'était une théorie. Et la pratique ? Sviatoslav Kondrat dit, « Nous avons eu les résultats de la simulation, et nous étions curieux de savoir comment cela fonctionnait dans la pratique." Expériences réalisées dans Volker Presser (INM, Sarrebruck) utilisaient des électrodes très poreuses remplies d'ions. Les chercheurs ont montré que les ions peuvent voyager plus rapidement sans obstruer les pores lorsqu'ils sont traités avec de minuscules impulsions électriques au lieu de se charger ou de se décharger brusquement. Par ici, ils ont trouvé comment accélérer les processus de charge et de décharge même si les pores de l'électrode sont aussi étroits que 0,6 nm. La recherche a été réalisée dans le cadre d'une collaboration internationale et publiée le 30 novembre dans la revue Communications naturelles.

Sviatoslav Kondrat dit, « Les résultats sont encourageants. C'est excitant de voir que la décharge peut également être accélérée. C'est comme faire sortir vos voitures du tunnel plus rapidement, même si vous n'avez le contrôle que sur les voitures à l'extérieur du tunnel. Ceci est pertinent pour certains processus comme le dessalement capacitif de l'eau, où la vitesse de fonctionnement est très importante".

Leurs découvertes ouvrent de nouvelles opportunités pour accélérer considérablement la charge et la décharge, même dans des pores subnanométriques. Cette approche de l'application de la nouvelle solution peut ouvrir une nouvelle voie pour une utilisation plus répandue de ces dispositifs électrochimiques respectueux de l'environnement.