Les ingénieurs mécaniciens de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées Henry Samueli de l'UCLA et de quatre autres institutions ont conçu une électrode ultra-efficace et durable pour les supercondensateurs. La conception de l'appareil a été inspirée par la structure et la fonction des feuilles sur les branches des arbres, et il est plus de 10 fois plus efficace que les autres conceptions.

La conception de l'électrode fournit la même quantité de stockage d'énergie, et délivre autant de puissance, comme électrodes similaires, bien qu'il soit beaucoup plus petit et plus léger. Au cours d'expériences, il a produit une capacité supérieure de 30 % - la capacité d'un appareil à stocker une charge électrique - pour sa masse par rapport à la meilleure électrode disponible fabriquée à partir de matériaux de carbone similaires, et 30 fois meilleure capacité par zone. Il a également produit 10 fois plus de puissance que les autres conceptions et a conservé 95 % de sa capacité initiale après plus de 10, 000 cycles de charge.

Leur travail est décrit dans la revue Communication Nature .

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie rechargeables qui fournissent plus de puissance pour leur taille que les batteries de taille similaire. Ils se rechargent également rapidement, et ils durent des centaines à des milliers de cycles de recharge. Aujourd'hui, ils sont utilisés dans les systèmes de freinage régénératif des voitures hybrides et pour d'autres applications. Les progrès de la technologie des supercondensateurs pourraient généraliser leur utilisation en complément, ou même en remplacement, les piles les plus familières que les consommateurs achètent chaque jour pour l'électronique domestique.

Les ingénieurs savaient que les supercondensateurs pouvaient être rendus plus puissants que les modèles actuels, mais un défi a été de produire des électrodes plus efficaces et plus durables. Les électrodes attirent les ions, qui stockent de l'énergie, à la surface du supercondensateur, où cette énergie devient disponible pour être utilisée. Les ions des supercondensateurs sont stockés dans une solution d'électrolyte. La capacité d'une électrode à fournir rapidement de l'énergie stockée est déterminée en grande partie par le nombre d'ions qu'elle peut échanger avec cette solution :plus elle peut échanger d'ions, plus il peut fournir de l'énergie rapidement.

Sachant que, les chercheurs ont conçu leur électrode pour maximiser sa surface, créant le plus d'espace possible pour qu'il attire les électrons. Ils se sont inspirés de la structure des arbres, qui sont capables d'absorber de grandes quantités de dioxyde de carbone pour la photosynthèse en raison de la surface de leurs feuilles.

"On trouve souvent l'inspiration dans la nature, et les plantes ont découvert le meilleur moyen d'absorber des produits chimiques tels que le dioxyde de carbone de leur environnement, " a déclaré Tim Fisher, chercheur principal de l'étude et professeur de génie mécanique et aérospatial à l'UCLA. "Dans ce cas, nous avons utilisé cette idée mais à un beaucoup, échelle beaucoup plus petite - environ un millionième de la taille, En réalité."

Pour créer la conception de branches et de feuilles, les chercheurs ont utilisé deux structures nanométriques composées d'atomes de carbone. Les "branches" sont des rangées de creux, nanotubes de carbone cylindriques, environ 20 à 30 nanomètres de diamètre; et les « feuilles » sont des structures en forme de pétales aux arêtes vives, environ 100 nanomètres de large, qui sont faits de graphène - des feuilles de carbone ultra minces. Les feuilles sont ensuite disposées sur le pourtour des tiges de nanotubes. Les pétales de graphène en forme de feuille donnent également la stabilité de l'électrode.

Les ingénieurs ont ensuite formé les structures en réseaux en forme de tunnel, dans laquelle les ions qui transportent l'énergie stockée circulent avec beaucoup moins de résistance entre l'électrolyte et la surface pour fournir de l'énergie qu'ils ne le feraient si les surfaces des électrodes étaient plates.

L'électrode fonctionne également bien dans des conditions acides et à haute température, les deux environnements dans lesquels les supercondensateurs pourraient être utilisés.