(À gauche) Dans la structure sandwich, les deux électrodes occupent des couches différentes et se font face. (À droite) Dans la nouvelle structure en dents de peigne, les deux électrodes sont intégrées dans un même plan. L'espace vide entre eux permet à la structure d'être flexible et semi-transparente. Crédit :Heng Lit, et al. ©2013 Société chimique américaine
(Phys.org) —La plupart des batteries, supercondensateurs, et d'autres dispositifs de stockage d'énergie sont basés sur une structure sandwich, où deux électrodes se font face et la charge circule entre elles. Cependant, lorsque ces structures sont pliées ou courbées, les électrodes peuvent facilement se briser ou l'appareil peut se court-circuiter si les électrodes entrent en contact direct. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont mis au point un nouveau design pour les dispositifs de stockage d'énergie qui est à la fois flexible et semi-transparent, dans lequel les électrodes sont fabriquées sur le même plan bidimensionnel dans une nouvelle structure en dents de peigne.
Les chercheurs, Heng Li, et al., de l'École de physique de l'Université de Pékin en Chine, ont publié leur article sur la nouvelle structure des dispositifs électrochimiques flexibles et semi-transparents dans un récent numéro de Lettres nano .
Comme l'expliquent les chercheurs, la clé pour obtenir la flexibilité et la semi-transparence de l'appareil est le motif de dents en peigne de l'électrode. Les chercheurs ont démontré que les nouvelles structures peuvent résister à de nombreux cycles de flexion et de flexion, et même être enroulées autour d'un enclos, tout en conservant la quasi-totalité de leurs bonnes performances. Les structures ne nécessitent pas d'entretoises comme celles utilisées par certains dispositifs à structure sandwich pour éviter les courts-circuits. Au lieu, les nouvelles structures peuvent être facilement pliées car il y a un espace vide naturel entre deux zones voisines des dents de peigne.
La conception se prête également à la semi-transparence car les tailles des dents du peigne de l'électrode sont inférieures à 100 m, qui est la limite de résolution de l'œil nu. En utilisant la photolithographie, les chercheurs pouvaient fabriquer des dents de peigne avec des largeurs de 40-60 m, permettant une bonne pénétration de la lumière.
Bien que d'autres transparents, des dispositifs flexibles de stockage d'énergie ont déjà été démontrés, ces conceptions nécessitent généralement des processus complexes et coûteux et ne sont pas universelles pour d'autres systèmes de dispositifs énergétiques. En revanche, les nouvelles structures en dents de peigne peuvent être fabriquées avec des méthodes simples et peuvent être intégrées à d'autres systèmes électroniques.
Les cellules solaires fabriquées avec la structure en dents de peigne d'électrode présentent une bonne semi-transparence et une bonne flexibilité, comme démontré en étant enroulé autour d'un stylo de 9 mm de diamètre. Crédit :Heng Lit, et al. ©2013 Société chimique américaine
"Dans les années récentes, l'électronique flexible est devenue un hotspot et il y a eu une explosion d'originalités et d'idées dans le domaine, " a déclaré le coauteur Dapeng Yu à l'Université de Pékin Phys.org . Il a expliqué que l'idée de la conception provient d'une étude que lui et certains des autres auteurs ont publiée l'année dernière sur les cellules solaires fabriquées avec des fils-électrodes.
« Les dispositifs d'énergie électrochimique (ils peuvent être compris comme des batteries ou des cellules) composés de deux fibres (l'une est l'anode, l'autre est la cathode) sont très flexibles, " dit Yu. " Nous avons été inspirés par l'idée, et essayé d'intégrer les électrodes en forme de fibre ensemble pour fabriquer un dispositif planaire.
Comme nous le savons, il existe des modèles similaires dans ce domaine. Par exemple, la structure interdigitée est appliquée aux supercondensateurs, mais ils sont tous fabriqués sur des substrats rigides et opaques comme le silicium. Par conséquent, ils ne peuvent pas réaliser la transparence et la flexibilité des appareils."
Ici, les chercheurs ont démontré la nouvelle structure en dents de peigne en fabriquant des cellules solaires à colorant et des supercondensateurs basés sur la nouvelle conception. Le souple, les cellules solaires semi-transparentes pourraient un jour avoir des applications dans les fenêtres intelligentes, photovoltaïque intégré au bâtiment, et des chargeurs photovoltaïques intégrés pour l'électronique portable. Les supercondensateurs pourraient également avoir une variété d'applications, y compris pour les systèmes électroniques tout-en-un transparents et portables de nouvelle génération.
En plus des cellules solaires à colorant et des supercondensateurs, la conception des dents en peigne pourrait également être étendue à d'autres systèmes électrochimiques tels que les piles alcalines, cellules solaires à points quantiques, et d'autres dispositifs de stockage et de production d'énergie.
"Théoriquement, la structure peigne-dents peut être appliquée à presque toutes sortes de dispositifs électrochimiques, " a déclaré le co-auteur Qing Zhao à l'Université de Pékin. " Cependant, le processus de fabrication doit être repensé pour des matériaux électrochimiques individuels. Et nous prévoyons de développer davantage de types de batteries ou de cellules flexibles et semi-transparentes en utilisant la conception à structure plane. D'autre part, l'efficacité de ces appareils souples et transparents est aujourd'hui un peu inférieure à celle des appareils traditionnels, et nous voulons améliorer leurs performances à l'avenir."
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