(PhysOrg.com) -- Condensateurs électrochimiques (EC), également appelés supercondensateurs ou ultracondensateurs, diffèrent des condensateurs ordinaires que vous trouverez dans votre téléviseur ou votre ordinateur en ce qu'ils stockent des quantités de charges sensiblement plus élevées. Ils ont attiré l'attention en tant que dispositifs de stockage d'énergie car ils se chargent et se déchargent plus rapidement que les batteries, pourtant ils sont encore limités par de faibles densités d'énergie, seulement une fraction de la densité énergétique des batteries. Un EC qui combine les performances énergétiques des condensateurs avec la densité énergétique élevée des batteries représenterait une avancée significative dans la technologie de stockage d'énergie. Cela nécessite de nouvelles électrodes qui non seulement maintiennent une conductivité élevée, mais offrent également une surface plus élevée et plus accessible que les EC classiques qui utilisent des électrodes à charbon actif.

Aujourd'hui, les chercheurs de l'UCLA ont utilisé un lecteur optique DVD LightScribe standard pour produire de telles électrodes. Les électrodes sont composées d'un réseau étendu de graphène - une couche de carbone graphitique d'une épaisseur d'un atome - qui présente d'excellentes propriétés mécaniques et électriques ainsi qu'une surface exceptionnellement élevée.

Chercheurs de l'UCLA du Département de chimie et biochimie, le Département de science et génie des matériaux, et le California NanoSystems Institute présentent des condensateurs électrochimiques à base de graphène hautes performances qui conservent d'excellentes propriétés électrochimiques sous une contrainte mécanique élevée. L'article est publié dans la revue Science .

Le processus est basé sur le revêtement d'un disque DVD avec un film d'oxyde de graphite qui est ensuite traité au laser à l'intérieur d'un lecteur de DVD LightScribe pour produire des électrodes de graphène. Typiquement, la performance des dispositifs de stockage d'énergie est évaluée par deux chiffres principaux, la densité d'énergie et la densité de puissance. Supposons que nous utilisions l'appareil pour faire fonctionner une voiture électrique - la densité d'énergie nous indique jusqu'où la voiture peut aller avec une seule charge tandis que la densité de puissance nous indique à quelle vitesse la voiture peut aller. Ici, Les appareils fabriqués avec des électrodes de graphène gravé au laser (LSG) présentent des valeurs de densité d'énergie ultra-élevées dans différents électrolytes tout en maintenant la densité de puissance élevée et l'excellente stabilité de cycle des EC. De plus, ces EC conservent d'excellentes propriétés électrochimiques sous une contrainte mécanique élevée et sont donc prometteuses pour une puissance élevée, électronique flexible.

"Notre étude démontre que nos nouveaux supercondensateurs à base de graphène stockent autant de charge que les batteries conventionnelles, mais peut être chargé et déchargé cent à mille fois plus vite, " a déclaré Richard B. Kaner, professeur de chimie et science et ingénierie des matériaux.

"Ici, nous présentons une stratégie pour la production d'ECs à base de graphène haute performance grâce à une approche simple tout solide qui évite le réempilement de feuilles de graphène, " a déclaré Maher F. El-Kady, l'auteur principal de l'étude et un étudiant diplômé du laboratoire de Kaner.

L'équipe de recherche a fabriqué des électrodes LSG qui n'ont pas les problèmes des électrodes à charbon actif qui ont jusqu'à présent limité les performances des CE commerciaux. D'abord, Le laser LightScribe provoque la réduction et l'exfoliation simultanées de l'oxyde de graphite et produit un réseau ouvert de LSG avec une surface sensiblement plus élevée et plus accessible. Il en résulte une capacité de stockage de charge importante pour les supercondensateurs LSG. La structure en réseau ouvert des électrodes permet de minimiser le chemin de diffusion des ions électrolytes, ce qui est crucial pour charger l'appareil. Cela peut être expliqué par les feuilles de graphène plates facilement accessibles, alors que la majeure partie de la surface du charbon actif réside dans de très petits pores qui limitent la diffusion des ions. Cela signifie que les supercondensateurs LSG ont la capacité de fournir une puissance ultra-élevée en peu de temps, contrairement au charbon actif.

En outre, Les électrodes LSG sont mécaniquement robustes et présentent une conductivité élevée (> 1700 S/m) par rapport aux charbons actifs (10-100 S/m). Cela signifie que les électrodes LSG peuvent être directement utilisées comme électrodes de supercondensateurs sans avoir besoin de liants ou de collecteurs de courant comme c'est le cas pour les EC à charbon actif conventionnels. Par ailleurs, ces propriétés permettent au LSG d'agir à la fois comme matériau actif et collecteur de courant dans l'EC. La combinaison des deux fonctions dans une seule couche conduit à une architecture simplifiée et rend les supercondensateurs LSG des dispositifs rentables.

Les EC disponibles dans le commerce consistent en un séparateur pris en sandwich entre deux électrodes avec un électrolyte liquide qui est soit enroulé en spirale et emballé dans un récipient cylindrique, soit empilé dans une pile bouton. Malheureusement, ces architectures de dispositifs souffrent non seulement d'éventuelles fuites nocives d'électrolytes, mais leur conception rend difficile leur utilisation pour une électronique flexible pratique.

L'équipe de recherche a remplacé l'électrolyte liquide par un électrolyte polymère gélifié qui fait également office de séparateur, réduisant davantage l'épaisseur et le poids du dispositif et simplifiant le processus de fabrication car il ne nécessite pas de matériaux d'emballage spéciaux.

Afin d'évaluer en conditions réelles le potentiel de ce LSG-EC tout solide pour le stockage flexible, l'équipe de recherche a soumis un appareil à une contrainte mécanique constante pour analyser ses performances. Assez intéressant, cela n'a eu presque aucun effet sur les performances de l'appareil.

« Nous attribuons les hautes performances et la durabilité à la grande flexibilité mécanique des électrodes ainsi qu'à la structure du réseau d'interpénétration entre les électrodes LSG et l'électrolyte gélifié, " explique Kaner. " L'électrolyte se solidifie pendant l'assemblage de l'appareil et agit comme de la colle qui maintient les composants de l'appareil ensemble. "

La méthode améliore l'intégrité mécanique et augmente le cycle de vie de l'appareil même lorsqu'il est testé dans des conditions extrêmes.

Étant donné que cette performance remarquable n'a pas encore été réalisée dans les appareils commerciaux, ces supercondensateurs LSG pourraient ouvrir la voie à des systèmes de stockage d'énergie idéaux pour la prochaine génération flexible, électronique portable.