Le réseau 3D unique de nanopores dans du carbone à matrice zéolite lui permet d'être utilisé comme électrode pour des supercondensateurs hautes performances dotés d'une capacité élevée et d'un temps de charge rapide. Crédit image :Hiroyuki Itoi, et al. ©2011 Société chimique américaine.
(PhysOrg.com) -- Afin de développer des véhicules électriques de nouvelle génération, systèmes d'énergie solaire, et d'autres technologies énergétiques propres, les chercheurs ont besoin d'un moyen efficace de stocker l'énergie. L'un des principaux dispositifs de stockage d'énergie pour ces applications et d'autres est un supercondensateur, également appelé condensateur électrique à double couche. Dans une étude récente, les scientifiques ont étudié la possibilité d'utiliser un matériau appelé carbone à matrice de zéolite pour l'électrode dans ce type de condensateur, et a constaté que la structure de pores unique du matériau améliore considérablement les performances globales du condensateur.
Les chercheurs, Hiroyuki Itoi, Hirotomo Nishihara, Taichi Kogure, et Takashi Kyotani, de l'Université du Tohoku à Sendai, Japon, ont publié leurs résultats sur le condensateur électrique à double couche haute performance dans un récent numéro du Journal de l'American Chemical Society .
Pour stocker de l'énergie, le condensateur électrique à double couche est chargé par des ions qui migrent d'une solution en vrac vers une électrode, où ils sont adsorbés. Avant d'atteindre la surface de l'électrode, les ions doivent traverser des nanopores étroits aussi rapidement et efficacement que possible. Essentiellement, plus les ions peuvent parcourir ces chemins rapidement, plus le condensateur peut être chargé rapidement, résultant en une performance de taux élevé. Aussi, plus la densité d'ions adsorbés dans l'électrode est élevée, plus la charge que le condensateur peut stocker est grande, résultant en une capacité volumétrique élevée.
Récemment, les scientifiques ont testé des matériaux avec des pores de différentes tailles et structures pour essayer d'obtenir à la fois un transport rapide des ions et une densité d'ions d'adsorption élevée. Mais les deux exigences sont quelque peu contradictoires, puisque les ions peuvent voyager plus rapidement à travers des nanopores plus grands, mais les grands nanopores rendent la densité d'électrode faible et diminuent ainsi la densité d'ions adsorbés.
« Dans ce travail, nous avons démontré avec succès qu'il est possible de répondre aux deux exigences apparemment contradictoires, densité de puissance élevée et capacité volumétrique élevée, avec du carbone revêtu de zéolite, " Nishihara a dit PhysOrg.com .
Le carbone à matrice de zéolite est constitué de nanopores de 1,2 nm de diamètre (plus petits que la plupart des matériaux d'électrode) et qui ont une structure très ordonnée (alors que d'autres pores peuvent être désordonnés et aléatoires). La petite taille des nanopores rend la densité d'ions adsorbés élevée, tandis que la structure ordonnée - décrite comme un cadre en forme de diamant - permet aux ions de passer rapidement à travers les nanopores. Dans une étude précédente, les chercheurs ont montré que le carbone à matrice de zéolite avec des nanopores inférieurs à 1,2 nm ne peut pas permettre un transport rapide des ions, suggérant que cette taille peut fournir l'équilibre optimal entre des performances à haut débit et une capacité volumétrique élevée.
Dans les essais, les propriétés du carbone zéolite dépassaient celles d'autres matériaux, démontrant son potentiel pour être utilisé comme électrode pour des condensateurs électriques à double couche haute performance.
« Nous essayons maintenant d'augmenter encore la densité énergétique du carbone à base de zéolite jusqu'au même niveau que les batteries secondaires, », a déclaré Nishihara. « Si un tel condensateur électrique à double couche est développé et utilisé pour les appareils mobiles, comme les téléphones portables, leur temps de charge peut être réduit à quelques minutes seulement. Une autre application future importante des condensateurs électriques à double couche est le support des batteries secondaires dans les véhicules électriques pour prolonger la durée de vie de la batterie. A cet effet également, atteindre une densité énergétique plus élevée est l'un des enjeux clés.
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