Des faisceaux de nanotubes de carbone recouverts d'alumine et d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium sont au cœur d'un supercondensateur à l'état solide développé par des scientifiques de l'Université Rice pour le stockage d'énergie. (Crédit :Hauge Lab/Rice University)
Les chercheurs de l'Université Rice ont créé un supercondensateur à base de nanotubes qui promet de combiner les meilleures qualités des batteries à haute énergie et des condensateurs à charge rapide dans un appareil adapté aux environnements extrêmes.
Un article du laboratoire Rice du chimiste Robert Hauge, à paraître dans la revue Carbone , signalé la création de robustes, stockage d'énergie polyvalent qui peut être profondément intégré dans la fabrication d'appareils. Les utilisations potentielles s'étendent des nanocircuits sur puce à des centrales électriques entières.
Les condensateurs standard qui régulent le débit ou fournissent des rafales rapides de puissance peuvent être déchargés et rechargés des centaines de milliers de fois. Condensateurs électriques à double couche (EDLC), généralement appelés supercondensateurs, sont des hybrides qui contiennent des centaines de fois plus d'énergie qu'un condensateur standard, comme une batterie, tout en conservant leurs capacités de charge/décharge rapide.
Mais les EDLC traditionnels reposent sur des électrolytes liquides ou gélifiés qui peuvent se décomposer dans des conditions très chaudes ou froides. Dans le supercondensateur de Rice, un solide, couche nanométrique de matériau diélectrique d'oxyde remplace entièrement les électrolytes.
Les chercheurs ont également profité de l'échelle. La clé d'une capacité élevée est de donner aux électrons plus de surface à habiter, et rien sur Terre n'a plus de potentiel pour emballer une grande surface dans un petit espace que les nanotubes de carbone.
Une fois cultivé, les nanotubes s'auto-assemblent en denses, structures alignées qui ressemblent à des tapis à poils longs microscopiques. Même après qu'ils soient transformés en supercondensateurs autonomes, chaque faisceau de nanotubes est 500 fois plus long que large. Une puce minuscule peut contenir des centaines de milliers de paquets.
Pour le nouvel appareil, l'équipe Rice a développé un réseau de faisceaux de 15 à 20 nanomètres de nanotubes de carbone à paroi unique pouvant atteindre 50 microns de long. Hauge, un membre distingué du corps professoral en chimie, a dirigé l'effort avec les anciens étudiants diplômés de Rice Cary Pint, premier auteur de l'article et maintenant chercheur chez Intel, et Nolan Nicolas, maintenant chercheur à Matric.
Le réseau a ensuite été transféré sur une électrode de cuivre avec de fines couches d'or et de titane pour favoriser l'adhérence et la stabilité électrique. Les faisceaux de nanotubes (les électrodes primaires) ont été dopés à l'acide sulfurique pour améliorer leurs propriétés conductrices; puis ils ont été recouverts de fines couches d'oxyde d'aluminium (la couche diélectrique) et d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (la contre-électrode) grâce à un processus appelé dépôt de couche atomique (ALD). Une électrode supérieure de peinture argentée complétait le circuit.
Les faisceaux de nanotubes de carbone sont au centre des supercondensateurs développés à l'Université Rice. Des réseaux de faisceaux de nanotubes sont recouverts par dépôt de couche atomique pour créer des milliers de dispositifs microscopiques dans un seul réseau. Les images au microscope électronique à droite montrent la construction à trois couches de l'un des supercondensateurs, qui font environ 100 nanomètres de large. (Crédit :Hauge Lab/Rice University)
"Essentiellement, vous obtenez cette structure métal/isolant/métal, " a déclaré Pint. " Personne n'a jamais fait cela avec un matériau à rapport d'aspect aussi élevé et en utilisant un processus comme ALD. "
Hauge a déclaré que le nouveau supercondensateur est stable et évolutif. "Toutes les solutions à semi-conducteurs pour le stockage d'énergie seront intimement intégrées dans de nombreux futurs appareils, y compris les écrans flexibles, bio-implants, de nombreux types de capteurs et toutes les applications électroniques qui bénéficient de taux de charge et de décharge rapides, " il a dit.
Pint a déclaré que le supercondensateur détient une charge sous un cycle haute fréquence et peut être naturellement intégré dans des matériaux. Il a imaginé une carrosserie de voiture électrique qui est une batterie, ou un microrobot avec un embarqué, alimentation électrique non toxique pouvant être injectée à des fins thérapeutiques dans la circulation sanguine d'un patient.
Pint a déclaré qu'il serait idéal pour une utilisation dans le type de conditions extrêmes rencontrées par les cellules solaires dans le désert ou dans les satellites, où le poids est également un facteur critique. « L'enjeu du futur des systèmes énergétiques est de mieux intégrer les choses. Cette architecture à l'état solide est à la pointe de la technologie, " il a dit.
