Un schéma montre des dispositifs de batterie/supercondensateur à l'échelle nanométrique dans un réseau, tel que construit à l'Université Rice. Les dispositifs sont prometteurs pour alimenter l'électronique à l'échelle nanométrique et comme outil de recherche pour comprendre le phénomène électrochimique à l'échelle nanométrique. (Crédit :Ajayan Lab/Rice University)
Dans une démonstration éclatante des progrès réalisés dans la miniaturisation des dispositifs de stockage d'énergie, une équipe d'ingénieurs de Rice University à Houston, Texas, a fabriqué un dispositif de stockage d'énergie où tous les composants essentiels sont intégrés sur un seul nanofil. Le dispositif de stockage d'énergie à nanofils pourrait permettre aux chercheurs de mieux comprendre l'électrochimie à l'échelle nanométrique, et avec l'optimisation pourrait également être utilisé pour alimenter des dispositifs nanoélectroniques.
Ingénieurs riz Sanketh R. Gowda, Arava Leela Mohana Reddy, Xiaobo Zhan, et Pulickel M. Ajayan ont publié leur étude sur les dispositifs de stockage d'énergie à nanofils dans un récent numéro de Lettres nano .
« Notre travail ici a pour la première fois démontré la fabrication des trois principaux composants d'un dispositif de stockage d'énergie - l'anode, électrolyte, et cathode – sur un seul nanofil, " Ajayan a dit PhysOrg.com . « Cela représente la forme ultime de miniaturisation promise par la nanotechnologie et une avancée dans la fabrication de blocs de construction de nanofils plus complexes et fonctionnels pour les futures applications de la nanotechnologie. »
Les chercheurs ont d'abord fabriqué un nouveau système électrochimique hybride à couche mince composé d'une anode nickel-étain (Ni-Sn) et d'une cathode en polyaniline (PANI), qui a montré de bonnes performances électrochimiques. En tant que dispositif électrochimique hybride (HED), le système combine les avantages des batteries (haute énergie) et des supercondensateurs (haute puissance) en une seule conception.
Pour fabriquer le même système sur un réseau de nanofils, les chercheurs ont utilisé des modèles de nanofils avec des diamètres de pores d'environ 200 nm. Après avoir recouvert les pores d'une fine couche de cuivre, les chercheurs ont rempli les pores à moitié avec du Ni-Sn pour fabriquer l'anode. Ensuite, les chercheurs ont élargi chimiquement les pores afin de recouvrir le Ni-Sn d'une fine couche d'électrolyte d'oxyde de polyéthylène (PEO), qui servait de séparateur. Finalement, la cathode PANI a été intégrée à la structure par un procédé d'infiltration. Globalement, l'ensemble du nanofil mesurait quelques micromètres de long et avait une surface totale d'environ 0,5 cm 2 .
Les chercheurs ont fabriqué plusieurs de ces dispositifs, puis les ont disposés en parallèle pour les tests. En chargeant et déchargeant les appareils, les chercheurs ont démontré que les dispositifs ont globalement de bonnes caractéristiques de charge/décharge qui pourraient les rendre attrayants pour alimenter des dispositifs nanoélectroniques.
Un autre avantage des dispositifs à nanofils est que leurs électrodes ne contiennent pas de lithium. Bien que le lithium ait été utilisé dans de nombreuses batteries et HED, il limite la densité énergétique et est coûteux à fabriquer en raison de la synthèse à haute température. En revanche, les matériaux d'électrodes utilisés ici (Ni-Sn et PANI) ont l'avantage d'être facilement synthétisés à température ambiante par des techniques simples, les rendant beaucoup moins chers.
« Avec l'avancement des dispositifs nanoélectroniques, il y a un besoin de sources d'énergie à plus petite échelle (nano), », a déclaré Ajayan. « Avec le développement des sources d'énergie à l'échelle nanométrique, ces exigences peuvent être satisfaites. En outre, la fabrication de tels dispositifs entièrement fonctionnels sur des nanofils individuels pourrait aider la communauté scientifique à approfondir et à mieux comprendre l'électrochimie aux interfaces à l'échelle nanométrique. Notre dispositif ici pourrait servir d'outil pour comprendre des problèmes importants tels que l'autodécharge, courants de fuite, et la nature des résistances interfaciales des dispositifs de stockage d'énergie à l'échelle nanométrique.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'étudier des moyens d'améliorer encore les performances du dispositif à nanofils. Par exemple, en optimisant l'épaisseur de la couche séparatrice entre les deux électrodes, ils espèrent minimiser l'autodécharge qui affecte souvent les batteries avec des séparateurs minces, ainsi que d'améliorer la faible efficacité coulombienne. Les chercheurs espèrent également augmenter la longueur des électrodes en utilisant différents modèles de nanofils, ce qui pourrait entraîner une augmentation de la capacité de l'appareil par unité de surface.
"À ce stade, il est difficile de conjecturer les appareils exacts qu'il pourrait être utilisé pour alimenter, », a déclaré Ajayan. « Nous avons démontré le fonctionnement d'un dispositif de réseau de nanofils planté sur une zone géométrique d'environ 0,5 cm 2 . Des appareils à cette échelle pourraient être utilisés pour alimenter plusieurs appareils MEMS. Finalement, des batteries individuelles à nanofils pourraient alimenter chacune quelques dispositifs à semi-conducteurs à nanofils, par exemple.
