Les scientifiques ont fait un grand pas vers la fabrication d'un dispositif de stockage d'énergie de type fibre qui peut être tissé dans des vêtements et des moniteurs médicaux portables, équipements de communication ou autres petits appareils électroniques.

L'appareil est un supercondensateur, un cousin de la batterie. Celui-ci contient un réseau interconnecté de graphène et de nanotubes de carbone si étroitement qu'il stocke une énergie comparable à certaines batteries au lithium à couche mince, un domaine où les batteries ont traditionnellement un grand avantage.

Les développeurs du produit, ingénieurs et scientifiques de l'Université technologique de Nanyang (NTU) à Singapour, Université Tsinghua en Chine, et Case Western Reserve University aux États-Unis, Je pense que la capacité de stockage en volume (appelée densité d'énergie volumétrique) est la plus élevée signalée pour les supercondensateurs micrométriques à base de carbone à ce jour :6,3 microwattheures par millimètre cube.

L'appareil conserve également l'avantage de charger et de libérer de l'énergie beaucoup plus rapidement qu'une batterie. Les matériaux hybrides à structure fibreuse offrent d'énormes surfaces accessibles et sont très conducteurs.

Les chercheurs ont développé un moyen de produire en continu la fibre flexible, leur permettant d'augmenter la production pour une variété d'utilisations. À ce jour, ils ont fait des fibres de 50 mètres de long, et ne voyez aucune limite de longueur.

Ils envisagent que le supercondensateur à fibre pourrait être tissé dans des vêtements pour alimenter des appareils médicaux pour les personnes à la maison, ou des dispositifs de communication pour les soldats sur le terrain. Ou, ils disent, la fibre pourrait être une source d'alimentation peu encombrante et servir de "fils porteurs d'énergie" dans les implants médicaux.

Yuan Chen, un professeur de génie chimique à NTU a dirigé la nouvelle étude, travailler avec Dingshan Yu, Kunli Goh, Hong Wang, Li Wei et Wenchao Jiang à NTU; Qiang Zhang à Tsinghua; et Liming Dai à Case Western Reserve. Les scientifiques rapportent leurs recherches dans Nature Nanotechnologie .

Dai, professeur de science et d'ingénierie macromoléculaires à Case Western Reserve et co-auteur de l'article, a expliqué que la plupart des supercondensateurs ont une densité de puissance élevée mais une faible densité d'énergie, ce qui signifie qu'ils peuvent charger rapidement et donner un coup de pouce de puissance, mais ne dure pas longtemps. Inversement, les batteries ont une densité d'énergie élevée et une faible densité de puissance, ce qui signifie qu'ils peuvent durer longtemps, mais ne délivrez pas une grande quantité d'énergie rapidement.

La microélectronique des véhicules électriques peut bénéficier de dispositifs de stockage d'énergie qui offrent une puissance élevée et une densité énergétique élevée. C'est pourquoi les chercheurs travaillent à développer un appareil qui offre les deux.

Pour continuer à miniaturiser l'électronique, l'industrie a besoin de minuscules dispositifs de stockage d'énergie avec de grandes densités d'énergie volumétriques.

En masse, les supercondensateurs pourraient avoir un stockage d'énergie comparable, ou densité d'énergie, aux piles. Mais parce qu'ils nécessitent de grandes quantités de surface accessible pour stocker de l'énergie, ils ont toujours été à la traîne en densité d'énergie en volume.

Leur approche

Pour améliorer la densité d'énergie par volume, les chercheurs ont conçu une fibre hybride.

Une solution contenant des nanotubes monoparoi oxydés à l'acide, oxyde de graphène et éthylènediamine, qui favorise la synthèse et dope le graphène avec de l'azote, est pompé à travers un tube renforcé étroit et flexible appelé colonne capillaire et chauffé dans un four pendant six heures.

Feuilles de graphène, un à quelques atomes d'épaisseur, et aligné, les nanotubes de carbone à paroi unique s'auto-assemblent en un réseau proreux interconnecté qui s'étend sur toute la longueur de la fibre.

L'arrangement fournit d'énormes quantités de surface accessible - 396 mètres carrés par gramme de fibre hybride - pour le transport et le stockage des charges.

Mais les matériaux sont étroitement emballés dans la colonne capillaire et le restent pendant qu'ils sont pompés, résultant en une densité d'énergie volumétrique élevée.

Le processus utilisant plusieurs colonnes capillaires permettra aux ingénieurs de fabriquer des fibres en continu et de maintenir une qualité constante, dit Chen.

Les résultats

Les chercheurs ont fabriqué des fibres aussi longues que 50 mètres et ont découvert qu'elles restent flexibles avec une capacité élevée de 300 Farad par centimètre cube.

En test, ils ont découvert que trois paires de fibres disposées en série triplaient la tension tout en gardant le même temps de charge/décharge.

Trois paires de fibres en parallèle ont triplé le courant de sortie et triplé le temps de charge/décharge, par rapport à une seule fibre exploitée à la même densité de courant.

Lorsqu'ils intègrent plusieurs paires de fibres entre deux électrodes, la capacité de stocker l'électricité, appelée capacité, augmenté linéairement en fonction du nombre de fibres utilisées.

En utilisant un gel d'alcool polyvinylique/acide phosphorique comme électrolyte, un micro-supercondensateur à semi-conducteur constitué d'une paire de fibres offrait une densité volumétrique de 6,3 microwattheures par millimètre cube, ce qui est comparable à celui d'une batterie au lithium à couche mince de 4 volts-500 microampères-heure.

Le supercondensateur à fibre a démontré une valeur de densité d'énergie ultra-élevée, tout en maintenant la densité de puissance élevée et la stabilité du cycle.

"Nous avons testé le dispositif fibre pendant 10, 000 cycles de charge/décharge, et l'appareil conserve environ 93 % de ses performances d'origine, " Yu dit, " tandis que les batteries rechargeables classiques ont une durée de vie inférieure à 1000 cycles."

L'équipe a également testé le dispositif pour un stockage d'énergie flexible. Le dispositif a été soumis à des contraintes mécaniques constantes et ses performances ont été évaluées. "Le supercondensateur à fibre continue de fonctionner sans perte de performances, même après s'être plié des centaines de fois, " dit Yu.

"Parce qu'ils restent flexibles et structurellement cohérents sur toute leur longueur, les fibres peuvent également être tissées en un motif croisé dans des vêtements pour appareils portables dans des textiles intelligents », a déclaré Chen.

De tels vêtements pourraient alimenter les appareils de surveillance biomédicale qu'un patient porte à la maison, fournir des informations à un médecin dans un hôpital, dit Dai. Tissé dans les uniformes, les supercondensateurs de type batterie pourraient alimenter des écrans ou des transistors utilisés pour la communication.

The researchers are now expanding their efforts. They plan to scale up the technology for low-cost, mass production of the fibers aimed at commercializing high-performance micro-supercapacitors.

En outre, "The team is also interested in testing these fibers for multifunctional applications, including batteries, cellules solaires, biofuel cells, and sensors for flexible and wearable optoelectronic systems, " Dai said. "Thus, we have opened up many possibilities and still have a lot to do."