Puce de silicium avec surface poreuse à côté du four spécial où elle a été recouverte de graphène pour créer une électrode de supercondensateur. Crédit :Joe Howell / Vanderbilt)
(Phys.org) — Des cellules solaires qui produisent de l'électricité 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, pas seulement quand le soleil brille. Téléphones portables avec cellules d'alimentation intégrées qui se rechargent en quelques secondes et fonctionnent pendant des semaines entre les charges.
Ce ne sont là que deux des possibilités offertes par une nouvelle conception de supercondensateur inventée par des scientifiques des matériaux de l'Université Vanderbilt et décrite dans un article publié dans le numéro du 22 octobre de la revue. Rapports scientifiques .
Il s'agit du premier supercondensateur fabriqué à partir de silicium afin qu'il puisse être intégré dans une puce de silicium avec les circuits microélectroniques qu'il alimente. En réalité, il devrait être possible de construire ces cellules de puissance à partir du silicium en excès qui existe dans la génération actuelle de cellules solaires, capteurs, téléphones portables et une variété d'autres appareils électromécaniques, offrant une économie de coûts considérable.
"Si vous demandez à des experts de fabriquer un supercondensateur en silicium, ils vous diront que c'est une idée folle, " a déclaré Cary Pint, le professeur adjoint de génie mécanique qui a dirigé le développement. "Mais nous avons trouvé un moyen facile de le faire."
Au lieu de stocker de l'énergie dans des réactions chimiques comme le font les batteries, Les "supercaps" stockent l'électricité en assemblant des ions à la surface d'un matériau poreux. Par conséquent, ils ont tendance à se charger et à se décharger en quelques minutes, au lieu d'heures, et fonctionner pendant quelques millions de cycles, au lieu de quelques milliers de cycles comme les batteries.
Ces propriétés ont permis aux supercondensateurs commerciaux, qui sont fabriqués à partir de charbon actif, capter quelques marchés de niche, comme le stockage de l'énergie captée par les systèmes de freinage régénératifs des bus et des véhicules électriques et pour fournir les rafales de puissance nécessaires pour ajuster les pales des éoliennes géantes aux conditions de vent changeantes. Les supercondensateurs sont toujours à la traîne par rapport à la capacité de stockage d'énergie électrique des batteries lithium-ion, ils sont donc trop encombrants pour alimenter la plupart des appareils grand public. Cependant, ils ont rapidement rattrapé leur retard.
Le graphique affiche la densité de puissance (watts par kilogramme) et la densité d'énergie (wattheures par kilogramme) des condensateurs en silicium poreux (P-Si), condensateurs commerciaux au silicium poreux et à base de carbone recouverts de graphène. Crédit :Cary Pint / Vanderbilt
Les recherches visant à améliorer la densité énergétique des supercondensateurs se sont concentrées sur les nanomatériaux à base de carbone comme le graphène et les nanotubes. Parce que ces appareils stockent des charges électriques à la surface de leurs électrodes, le moyen d'augmenter leur densité énergétique est d'augmenter la surface des électrodes, ce qui signifie créer des surfaces remplies de crêtes et de pores à l'échelle nanométrique.
« Le grand défi de cette approche est d'assembler les matériaux, " a déclaré Pint. " Construire de hautes performances, dispositifs fonctionnels à partir de blocs de construction à l'échelle nanométrique avec n'importe quel niveau de contrôle s'est avéré être assez difficile, et quand il est atteint, il est difficile de le répéter."
So Pint et son équipe de recherche – les étudiants diplômés Landon Oakes, Andrew Westover et la post-doctorante Shahana Chatterjee – ont décidé d'adopter une approche radicalement différente :en utilisant du silicium poreux, un matériau avec une nanostructure contrôlable et bien définie obtenu par gravure électrochimique de la surface d'une plaquette de silicium.
Cela leur a permis de créer des surfaces avec des nanostructures optimales pour les électrodes de supercondensateurs, mais cela leur a laissé un problème majeur. Le silicium est généralement considéré comme inapproprié pour une utilisation dans les supercondensateurs car il réagit facilement avec certains des produits chimiques contenus dans les électrolytes qui fournissent les ions qui stockent la charge électrique.
Avec une expérience dans la croissance de nanostructures de carbone, Le groupe de Pint a décidé d'essayer de revêtir la surface de silicium poreux avec du carbone. "Nous n'avions aucune idée de ce qui allait se passer, " a déclaré Pint. " En général, les chercheurs cultivent du graphène à partir de matériaux en carbure de silicium à des températures supérieures à 1400 degrés Celsius. Mais à des températures plus basses – 600 à 700 degrés Celsius – nous ne nous attendions certainement pas à une croissance matérielle semblable au graphène. »
Lorsque les chercheurs ont retiré le silicium poreux du four, ils ont constaté qu'il était passé de l'orange au violet ou au noir. Lorsqu'ils l'ont inspecté sous un puissant microscope électronique à balayage, ils ont découvert qu'il semblait presque identique au matériau d'origine, mais qu'il était recouvert d'une couche de graphène de quelques nanomètres d'épaisseur.
Image au microscope électronique à transmission de la surface du silicium poreux recouvert de graphène. Le revêtement est constitué d'une fine couche de 5 à 10 couches de graphène qui remplissent les pores d'un diamètre inférieur à 2 à 3 nanomètres et n'altèrent donc pas l'architecture nanométrique du silicium sous-jacent. Crédit :Cary Pint / Vanderbilt
Lorsque les chercheurs ont testé le matériau enduit, ils ont découvert qu'il avait stabilisé chimiquement la surface du silicium. Quand ils l'ont utilisé pour fabriquer des supercondensateurs, ils ont découvert que le revêtement de graphène améliorait les densités d'énergie de plus de deux ordres de grandeur par rapport à ceux fabriqués à partir de silicium poreux non revêtu et nettement mieux que les supercondensateurs commerciaux.
La couche de graphène agit comme un revêtement protecteur atomiquement mince. Pint et son groupe soutiennent que cette approche ne se limite pas au graphène. "La capacité de concevoir des surfaces avec des couches de matériaux atomiquement minces combinée au contrôle obtenu dans la conception de matériaux poreux ouvre des opportunités pour un certain nombre d'applications différentes au-delà du stockage d'énergie, " il a dit.
"Malgré les excellentes performances de l'appareil que nous avons obtenues, notre objectif n'était pas de créer des appareils aux performances record, " a déclaré Pint. " Il s'agissait d'élaborer une feuille de route pour le stockage intégré de l'énergie. Le silicium est un matériau idéal sur lequel se concentrer car il est à la base d'une grande partie de notre technologie et de nos applications modernes. En outre, la plupart du silicium dans les dispositifs existants reste inutilisé car il est très coûteux et inutile de produire des plaquettes de silicium minces. »
Le groupe de Pint utilise actuellement cette approche pour développer un stockage d'énergie qui peut être formé dans les matériaux en excès ou sur les faces arrière inutilisées des cellules solaires et des capteurs. Les supercondensateurs stockeraient l'excès d'électricité que les cellules génèrent à midi et la restitueraient lorsque la demande culminerait l'après-midi.
"Toutes les choses qui nous définissent dans un environnement moderne nécessitent de l'électricité, " a déclaré Pint. " Plus nous pourrons intégrer le stockage d'énergie dans les matériaux et les appareils existants, plus ils deviendront compacts et efficaces."
