Micrographie électronique à résolution atomique du graphène activé. Les images (celle-ci et une autre ci-dessous) montrent que le matériau est composé de feuilles simples de carbone cristallin, qui sont très courbés pour former un réseau poreux tridimensionnel.
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont aidé à découvrir la structure à l'échelle nanométrique d'une nouvelle forme de carbone, contribuant à expliquer pourquoi ce nouveau matériau agit comme une éponge super absorbante lorsqu'il s'agit d'absorber la charge électrique. Le matériel, qui a été récemment créé à l'Université du Texas - Austin, peut être incorporé dans des dispositifs de stockage d'énergie "supercondensateurs" avec une capacité de stockage remarquablement élevée tout en conservant d'autres attributs attrayants tels que la libération d'énergie ultra-rapide, temps de recharge rapide, et une durée de vie d'au moins 10, 000 cycles de charge/décharge.
« Ces propriétés rendent cette nouvelle forme de carbone particulièrement intéressante pour répondre aux besoins de stockage d'énergie électrique qui nécessitent également une libération rapide d'énergie - par exemple, dans les véhicules électriques ou pour lisser la disponibilité de l'énergie à partir de sources d'énergie intermittentes, comme l'éolien et le solaire, " a déclaré Eric Stach, scientifique des matériaux de Brookhaven, un co-auteur sur un article décrivant le matériel publié dans Science le 12 mai, 2011.
Les supercondensateurs sont similaires aux batteries en ce sens que les deux stockent la charge électrique. Les batteries le font par des réactions chimiques entre des électrodes métalliques et un électrolyte liquide. Parce que ces produits chimiques mettent du temps à réagir, l'énergie est stockée et libérée relativement lentement. Mais les batteries peuvent stocker beaucoup d'énergie et la restituer assez longtemps.
Supercondensateurs, d'autre part, stocker des charges sous forme d'ions à la surface des électrodes, semblable à l'électricité statique, plutôt que de s'appuyer sur des réactions chimiques. La charge des électrodes provoque la séparation des ions dans l'électrolyte, ou polariser, ainsi - ainsi la charge est stockée à l'interface entre les électrodes et l'électrolyte. Les pores de l'électrode augmentent la surface sur laquelle l'électrolyte peut s'écouler et interagir, augmentant ainsi la quantité d'énergie pouvant être stockée.
Mais comme la plupart des supercondensateurs ne peuvent pas contenir autant de charge que les batteries, leur utilisation a été limitée aux applications où de petites quantités d'énergie sont nécessaires rapidement, ou lorsqu'un long cycle de vie est essentiel, comme dans les appareils électroniques mobiles.
Le nouveau matériau développé par les chercheurs de l'UT-Austin pourrait changer cela. Les supercondensateurs qui en sont issus ont une capacité de stockage d'énergie, ou densité d'énergie, qui se rapproche de la densité énergétique des batteries plomb-acide, tout en conservant la densité de puissance élevée - c'est-à-dire, libération d'énergie rapide - qui est caractéristique des supercondensateurs.
« Ce nouveau matériau combine les attributs des deux systèmes de stockage électrique, ", a déclaré Rodney Ruoff, chef d'équipe de l'Université du Texas. "Nous avons été plutôt stupéfaits par ses performances exceptionnelles."
L'équipe UT-Austin avait entrepris de créer une forme de carbone plus poreuse en utilisant de l'hydroxyde de potassium pour restructurer les plaquettes de graphène chimiquement modifiées - une forme de carbone où les atomes sont disposés en anneaux en forme de tuile à plat pour former un seul atome d'épaisseur des draps. Une telle "activation chimique" a déjà été utilisée pour créer diverses formes de "charbon actif, " qui ont des pores qui augmentent la surface et sont utilisés dans les filtres et autres applications, y compris les supercondensateurs.
Mais parce que cette nouvelle forme de carbone était si supérieure aux autres utilisées dans les supercondensateurs, les chercheurs de l'UT-Austin savaient qu'ils auraient besoin de caractériser sa structure à l'échelle nanométrique.
Ruoff avait émis l'hypothèse que le matériau consistait en un réseau poreux tridimensionnel continu avec des parois d'un seul atome d'épaisseur, avec une fraction importante étant "carbone à courbure négative, " similaire aux buckyballs à l'envers. Il s'est tourné vers Stach à Brookhaven pour obtenir de l'aide avec une caractérisation structurelle plus poussée afin de vérifier ou de réfuter cette hypothèse.
Stach et son collègue de Brookhaven, Dong Su, ont mené un large éventail d'études au Centre des nanomatériaux fonctionnels du laboratoire (CFN), la Source nationale de lumière synchrotron (NSLS), et au National Center for Electron Microscopy du Lawrence Berkeley National Laboratory, les trois installations sont soutenues par le DOE Office of Science. « Dans les laboratoires du DOE, nous avons les microscopes à la plus haute résolution au monde, donc nous sommes vraiment allés à fond dans la caractérisation de la structure atomique, " dit Stach.
"Nos études ont révélé que l'hypothèse de Ruoff était en fait correcte, et que la structure nanométrique tridimensionnelle du matériau est constituée d'un réseau de particules fortement incurvées, parois d'un seul atome formant de minuscules pores de largeurs allant de 1 à 5 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre."
L'étude comprend des images détaillées de la structure fine des pores et des parois de carbone elles-mêmes, ainsi que des images qui montrent comment ces détails s'intègrent dans l'ensemble. « Les données du NSLS ont été cruciales pour montrer que notre caractérisation très locale était représentative du matériau global, " dit Stach.
« Nous travaillons toujours avec Ruoff et son équipe pour établir une description complète de la structure du matériau. Nous ajoutons également des études informatiques pour nous aider à comprendre comment ce réseau tridimensionnel se forme, afin que nous puissions potentiellement adapter les tailles de pores pour qu'elles soient optimales pour des applications spécifiques, y compris le stockage capacitif, catalyse, et piles à combustible, " dit Stach.
Pendant ce temps, les scientifiques affirment que les techniques de traitement utilisées pour créer la nouvelle forme de carbone sont facilement adaptables à la production industrielle. "Ce matériau - étant si facilement fabriqué à partir de l'un des éléments les plus abondants de l'univers - aura un large éventail d'impacts sur la recherche et la technologie à la fois dans le stockage d'énergie et la conversion d'énergie, ", a déclaré Ruoff.
