Micrographies SEM du graphène spongieux en 3D, qui peuvent être utilisées comme électrodes dans des supercondensateurs avec une densité de puissance ultra-élevée et une densité d'énergie relativement bonne. Crédit image :Zhanwei Xu, et al. ©2012 Société chimique américaine
(Phys.org)—Alors que la plupart des véhicules électriques d'aujourd'hui reposent sur des batteries pour stocker l'énergie, les supercondensateurs ont bénéficié d'améliorations significatives qui en ont fait de sérieux concurrents des batteries. Les batteries ont traditionnellement l'avantage en termes de capacité, car les faibles capacités des supercondensateurs signifient des autonomies très courtes pour les véhicules électriques. Le plus grand avantage des supercondensateurs réside dans leur densité de puissance beaucoup plus élevée par rapport aux batteries, permettant un temps de charge plus rapide et la capacité de se décharger rapidement pour une accélération rapide.
Une nouvelle étude réalisée par un groupe de chercheurs de l'Université de l'Alberta et du Conseil national de recherches du Canada, à la fois en Alberta, Canada, a montré que les supercondensateurs ont un grand potentiel d'amélioration continue.
Les chercheurs ont synthétisé un nouveau matériau qu'ils appellent graphène spongieux en raison de sa structure macroporeuse 3D et ont démontré qu'il peut être utilisé pour fabriquer des électrodes de supercondensateur. Les supercondensateurs avec ces nouvelles électrodes ont une densité d'énergie juste lorsqu'ils fonctionnent à de faibles densités de puissance, mais leur plus grande attraction est lorsqu'ils fonctionnent à des densités de puissance ultra-élevées d'environ 48, 000 W/kg, où ils sont capables de fournir une densité énergétique attrayante de 7,1 Wh/kg.
En premier, une densité énergétique de 7,1 Wh/kg peut ne pas sembler remarquable par rapport à la densité énergétique des meilleures batteries Li-ion, comme le record de 400 Wh/kg d'Envia System annoncé plus tôt cette année. Cependant, afin de réduire le temps de charge des batteries Li-ion des véhicules électriques de quelques heures à quelques minutes, les batteries doivent avoir une densité de puissance plus élevée que leurs meilleures valeurs actuelles d'environ 10, 000 W/kg. Alors le 48, 000 W/kg de densité de puissance des supercondensateurs rapportés ici, couplé à une densité énergétique de 7,1 Wh/kg, montre que les supercondensateurs peuvent offrir aux batteries une certaine concurrence.
"Les supercondensateurs et les batteries sont des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique assez différents, " co-auteur Zhi Li, de l'Université de l'Alberta et du Conseil national de recherches du Canada, Raconté Phys.org . "Voici un exemple assez souvent utilisé pour montrer leurs différences. Si vous conduisez un véhicule électrique, vous voudriez qu'une batterie à haute densité énergétique permette au véhicule de rouler pendant de nombreux kilomètres et vous préféreriez probablement aussi un supercondensateur à haute densité énergétique pour faire démarrer/accélérer la voiture plus rapidement. Les supercondensateurs sont conçus pour fonctionner à une densité de puissance beaucoup plus élevée (charge/décharge rapide). 7,1 Wh/kg est loin d'être attractif pour une batterie. Cependant, cette énergie est délivrée en moins de 2 secondes. Je pense qu'aucune des batteries existantes n'est prête à le faire."
Le processus de synthèse dans lequel le graphène est cultivé entre les NTC, résultant en un graphène spongieux en 3D. Crédit image :Zhanwei Xu, et al. ©2012 Société chimique américaine
Comme l'expliquent les chercheurs dans leur étude, ils ont synthétisé le graphène semblable à une éponge à partir de nanotubes de carbone à parois multiples et de molécules de cobalt phtalocyanine (PC) qui se fixent aux sites de nucléation dans le "squelette" des nanotubes. Ces matériaux ont été chauffés aux micro-ondes pendant 20 minutes pour donner du graphite, puis immédiatement trempé avec de l'eau glacée pour transformer le graphite en flocons de graphène. Les images au microscope électronique à balayage ont révélé une morphologie spongieuse très uniforme dans la structure du carbone.
Dans les expériences, les chercheurs ont démontré que les électrodes en graphène semblable à une éponge sont stables dans deux électrolytes courants (liquide ionique et aqueux) utilisés dans les supercondensateurs. Alors que de nombreuses électrodes de supercondensateurs ne fonctionnent bien qu'à des températures de 60 °C (140 °F) ou plus, les électrodes de graphène en forme d'éponge fonctionnent très bien à température ambiante. Les chercheurs attribuent à la fois le bon fonctionnement à température ambiante et la capacité de transfert rapide de l'électrolyte (et la densité de puissance élevée qui en résulte) à la structure macroporeuse en forme d'éponge de l'électrode.
Les électrodes de graphène en forme d'éponge présentent également une excellente durée de vie. Après avoir parcouru 10, 000 cycles de charge-décharge, les électrodes ont conservé 90 % de leur capacité dans l'électrolyte liquide ionique et 98 % dans l'électrolyte aqueux.
"Dans ce travail, nous cultivons du graphène entre des NTC et obtenons une nano-architecture capable de fournir de l'énergie à une densité de puissance très élevée, " dit Li. " Cependant, la contribution la plus importante du travail est que nous avons démontré une méthode appropriée pour fabriquer du graphène dans l'espace limité d'autres nanomatériaux. PC, les matières premières que nous avons utilisées, sont de petites molécules de moins de 2 nm et peuvent tenir dans l'espace restreint des autres nanomatériaux. Après carbonisation et trempe, Les PC sont in situ converti en graphène. En outre, cette conversion est une réaction auto-catalysée qui offre une grande flexibilité pour faire du graphène une composition avec d'autres nanomatériaux. Comme tu le sais, les composites de graphène ont une application beaucoup plus large que le graphène lui-même."
Globalement, les résultats s'appuient sur des recherches antérieures démontrant que les structures de graphène 3D peuvent servir de structure idéale pour les électrodes de supercondensateurs en permettant un transfert rapide d'électrolyte à travers les canaux poreux. Les chercheurs espèrent que d'autres améliorations à l'avenir rendront les supercondensateurs attrayants pour les véhicules électriques, systèmes de secours, et d'autres applications à haute puissance.
"Nous cherchons un moyen de rendre le graphène plus fin, ce qui donnerait aux nano-architectures plus de densité énergétique, " a dit Li. " L'épaisseur actuelle du graphène est d'environ 5 à 6 couches. Notre objectif est de faire moins de 2 couches. Cela doublera ou triplera la densité énergétique des matériaux sans sacrifier la densité de puissance."
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