En supposant que vous soyez assez geek pour ouvrir n'importe quel appareil mobile sur le marché - un téléphone, tablette ou ordinateur portable - le composant le plus flagrant de l'appareil est la batterie :elle consomme généralement jusqu'à (sinon plus de) 60% de l'espace.

Il est décevant de penser que les gadgets que vous transportez sont essentiellement des packs de dispositifs de stockage d'énergie. Pensez à quel point ces appareils pourraient être plus portables si leurs batteries étaient plus petites et plus puissantes.

De telles possibilités ne sont peut-être pas loin.

Condensateurs électrochimiques, en tant que type émergent de dispositif avancé de stockage d'énergie, ont des attributs meilleurs que leurs homologues de batterie conventionnels tels que la capacité de charge rapide et une durée de vie presque illimitée.

Aujourd'hui, dans Science , mes collègues et moi montrons comment la capacité de stockage d'énergie d'un condensateur électrochimique peut être doublée en manipulant une seule couche d'atomes de carbone connue sous le nom de graphène.

Evolution des condensateurs électrochimiques

Alors que nous devrions être étonnés de voir à quel point nous avons augmenté la puissance de calcul dans un espace réduit (les premiers ordinateurs remplissaient des pièces entières), l'efficacité d'un dispositif de stockage d'énergie - la quantité d'énergie stockée par unité de volume - doit rattraper son retard.

L'idée d'augmenter cette efficacité est d'emballer plus actif, matériaux de stockage d'énergie dans le même espace. Aussi simple que cela puisse paraître, c'est très difficile à faire.

Un matériau couramment utilisé dans les dispositifs de stockage d'énergie est le carbone poreux. Le carbone poreux est produit par remuage d'un matériau de base, comme la noix de coco, avec de petits pores, augmenter la surface du matériau de base.

Les pores sont importants pour le stockage capacitif d'énergie comme en termes généraux, plus de pores signifie une plus grande surface pour l'adsorption physique, ce qui à son tour conduit à une capacité de stockage plus élevée.

Carbone poreux traditionnel, une fois fait, a un volume défini avec des pores fixes dispersés de manière aléatoire à l'intérieur et à l'extérieur.

Il n'est pas vraiment possible de réajuster la structure et de bloquer plus de carbone poreux dans le même espace sans froisser une fraction des pores qui sont particulièrement cruciaux pour le stockage capacitif d'énergie.

Présentation du graphène

Le graphène - une feuille monocouche d'atomes de carbone - a été isolé pour la première fois en 2004 et depuis lors, des efforts importants ont été consacrés à l'exploration de sa physique.

C'est le matériau le plus fin connu de l'homme, encore plus dur que le diamant. Il canalise les électrons à peu près sans résistance, ce qui en fait le matériau le plus conducteur.

Le graphène est également la pierre angulaire du carbone poreux, Ainsi, commencer par le graphène nous donne un contrôle ultime sur la structure du carbone poreux.

Pour emballer les matières actives dans un certain espace autant que possible, il n'est pas difficile de comprendre que le moyen le plus efficace consiste à emballer du graphène en forme de feuille de manière face à face, comme le montre le schéma ci-dessous.

Mais les problèmes surviennent lorsque deux morceaux de graphène sont trop rapprochés. Comme des aimants, lorsqu'il est placé plus près qu'une distance critique, les feuilles de graphène adhéreront les unes aux autres de manière irréversible, diminuant leur surface, et comme résultat, perdent leur capacité de stockage d'énergie.

Par conséquent, il y a un sweet spot où l'emballage du graphène, ni trop lâche ni trop compact, est juste :une charge maximale sans nuire à sa capacité à stocker de l'énergie.

Il suffit d'ajouter du liquide

Trouver ce point idéal nécessite un réglage fin de la structure à l'échelle nanométrique. Si vous pensez à un matériau dur qui ne se déformera pas facilement, cela semble difficile, mais il est naturel qu'un liquide prenne n'importe quelle forme dans laquelle il est contenu.

Inspiré par cela, nous avons utilisé des liquides comme médiateurs entre les feuilles de graphène et avons réussi à ajuster l'emballage du graphène dans des films de manière presque continue, nous donnant ce que nous appelons du graphène « doux ».

Les condensateurs électrochimiques basés sur les films résultants peuvent obtenir des densités d'énergie volumétriques avoisinant les 60 Watt-heures par litre, qui se rapproche de celui des batteries au plomb que l'on trouve dans les voitures.

Notre travail, comme un exemple des nombreuses caractéristiques "douces" du graphène, encouragera les chercheurs des domaines du graphène et de la matière molle à développer de nouveaux concepts « mous » pour relever les principaux défis scientifiques et techniques liés à la synthèse évolutive, traitement et assemblage de matériaux liés au graphène.

Nous pensons que la mise en œuvre de cette technologie va révolutionner de nombreux secteurs de l'énergie, tels que les appareils électroniques personnels à charge rapide et abordables, véhicules électriques longue distance.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de The Conversation (sous Creative Commons-Attribution/Pas de dérivés).