Des scientifiques de l'UC Santa Cruz et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont rapporté des résultats de performance sans précédent pour une électrode de supercondensateur. Les chercheurs ont fabriqué des électrodes à l'aide d'un aérogel de graphène imprimable pour construire un échafaudage tridimensionnel poreux chargé de matériau pseudocapacitif.

Dans les tests de laboratoire, les nouvelles électrodes ont atteint la capacité surfacique la plus élevée (charge électrique stockée par unité de surface d'électrode) jamais signalée pour un supercondensateur, dit Yat Li, professeur de chimie et de biochimie à l'UC Santa Cruz. Li et ses collaborateurs ont rapporté leurs découvertes dans un article publié le 18 octobre dans Joule .

En tant que dispositifs de stockage d'énergie, les supercondensateurs ont l'avantage de se charger très rapidement (en quelques secondes à quelques minutes) et de conserver leur capacité de stockage pendant des dizaines de milliers de cycles de charge. Ils sont utilisés pour les systèmes de freinage régénératif dans les véhicules électriques et d'autres applications. Par rapport aux piles, ils contiennent moins d'énergie dans le même espace, et ils ne tiennent pas la charge aussi longtemps. Mais les progrès de la technologie des supercondensateurs pourraient les rendre compétitifs par rapport aux batteries dans une gamme d'applications beaucoup plus large.

Dans des travaux antérieurs, les chercheurs de l'UCSC et du LLNL ont démontré des électrodes de supercondensateur ultrarapides fabriquées à l'aide d'un aérogel de graphène imprimé en 3D. Dans la nouvelle étude, ils ont utilisé un aérogel de graphène amélioré pour construire un échafaudage poreux qui a ensuite été chargé d'oxyde de manganèse, un matériau pseudocapacitif couramment utilisé.

Un pseudocondensateur est un type de supercondensateur qui stocke de l'énergie grâce à une réaction à la surface de l'électrode, lui donnant des performances plus proches de celles d'une batterie que les supercondensateurs qui stockent l'énergie principalement via un mécanisme électrostatique (appelé capacité électrique à double couche, ou EDLC).

"Le problème pour les pseudocondensateurs est que lorsque vous augmentez l'épaisseur de l'électrode, la capacité diminue rapidement en raison de la diffusion lente des ions dans la structure en vrac. Le défi est donc d'augmenter la charge massique du matériau pseudocondensateur sans sacrifier sa capacité de stockage d'énergie par unité de masse ou de volume, " expliqua Li.

La nouvelle étude démontre une percée dans l'équilibrage de la charge de masse et de la capacité dans un pseudocondensateur. Les chercheurs ont pu augmenter la charge de masse à des niveaux records de plus de 100 milligrammes d'oxyde de manganèse par centimètre carré sans compromettre les performances, par rapport aux niveaux typiques d'environ 10 milligrammes par centimètre carré pour les appareils commerciaux.

Plus important encore, la capacité surfacique augmente linéairement avec la charge massique d'oxyde de manganèse et l'épaisseur de l'électrode, tandis que la capacité par gramme (capacité gravimétrique) est restée presque inchangée. Cela indique que les performances de l'électrode ne sont pas limitées par la diffusion d'ions, même à une charge de masse aussi élevée.

Premier auteur Bin Yao, un étudiant diplômé du laboratoire de Li à l'UC Santa Cruz, expliqué que dans la fabrication commerciale traditionnelle de supercondensateurs, un mince revêtement de matériau d'électrode est appliqué sur une mince feuille de métal qui sert de collecteur de courant. Parce que l'augmentation de l'épaisseur du revêtement entraîne une baisse des performances, plusieurs feuilles sont empilées pour créer une capacité, en ajoutant du poids et du coût matériel en raison du collecteur de courant métallique dans chaque couche.

« Avec notre approche, nous n'avons pas besoin d'empilement car nous pouvons augmenter la capacité en rendant l'électrode plus épaisse sans sacrifier les performances, " dit Yao.

Les chercheurs ont pu augmenter l'épaisseur de leurs électrodes à 4 millimètres sans aucune perte de performance. Ils ont conçu les électrodes avec une structure de pores périodiques qui permet à la fois un dépôt uniforme du matériau et une diffusion efficace des ions pour la charge et la décharge. La structure imprimée est un treillis composé de tiges cylindriques de l'aérogel de graphène. Les tiges elles-mêmes sont poreuses, en plus des pores de la structure en treillis. L'oxyde de manganèse est ensuite électrodéposé sur le réseau d'aérogel de graphène.

"L'innovation clé de cette étude est l'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer une structure de conception rationnelle fournissant un échafaudage en carbone pour supporter le matériau pseudocapacitif, ", a déclaré Li. "Ces résultats valident une nouvelle approche de la fabrication de dispositifs de stockage d'énergie à l'aide de l'impression 3D."

Les dispositifs de supercondensateurs fabriqués avec les électrodes d'aérogel de graphène/oxyde de manganèse ont montré une bonne stabilité de cyclage, conserver plus de 90 pour cent de la capacité initiale après 20, 000 cycles de charge et de décharge. Les électrodes d'aérogel de graphène imprimées en 3D permettent une grande flexibilité de conception car elles peuvent être fabriquées dans n'importe quelle forme nécessaire pour s'adapter à un appareil. Les encres imprimables à base de graphène développées au LLNL offrent une surface ultra-élevée, propriétés légères, élasticité, et une conductivité électrique supérieure.