Gros plan sur le supercondensateur structurel. Crédit :Joe Howell / Vanderbilt
(Phys.org) - Imaginez un avenir dans lequel nos gadgets électriques ne sont plus limités par des prises et des sources d'alimentation externes. Cette perspective intrigante est l'une des raisons de l'intérêt actuel pour le renforcement de la capacité de stockage de l'énergie électrique directement dans une large gamme de produits, comme un ordinateur portable dont le boîtier lui sert de batterie, ou une voiture électrique propulsée par l'énergie stockée dans son châssis, ou une maison où les cloisons sèches et le bardage stockent l'électricité qui alimente les lumières et les appareils.
Il fait aussi le petit, Les plaquettes grises ternes que l'étudiant diplômé Andrew Westover et le professeur adjoint de génie mécanique Cary Pint ont fabriquées au laboratoire des nanomatériaux et des dispositifs énergétiques de Vanderbilt sont bien plus importantes que leur apparence indescriptible ne le suggère.
"Ces appareils démontrent - pour la première fois à notre connaissance - qu'il est possible de créer des matériaux capables de stocker et de décharger des quantités importantes d'électricité alors qu'ils sont soumis à des charges statiques et des forces dynamiques réalistes, tels que des vibrations ou des chocs, " a déclaré Pint. "Andrew a réussi à faire de notre rêve de matériaux de stockage d'énergie structurels une réalité."
C'est important car le stockage structurel de l'énergie changera la manière dont une grande variété de technologies seront développées à l'avenir.
"Lorsque vous pouvez intégrer l'énergie dans les composants utilisés pour construire des systèmes, il ouvre la porte à un tout nouveau monde de possibilités technologiques. Tout à coup, la capacité de concevoir des technologies à la base de la santé, divertissement, les voyages et la communication sociale ne seront pas limités par des prises et des sources d'alimentation externes, " Pinte a dit.
La vue latérale d'un supercondensateur structurel montre l'électrolyte polymère bleu qui colle les électrodes de silicium ensemble. Crédit :Joe Howell / Vanderbilt
Le nouveau dispositif développé par Pint et Westover est un supercondensateur qui stocke l'électricité en assemblant des ions chargés électriquement à la surface d'un matériau poreux, au lieu de le stocker dans des réactions chimiques comme le font les batteries. Par conséquent, les supercaps peuvent se charger et se décharger en quelques minutes, au lieu d'heures, et fonctionnent pendant des millions de cycles, au lieu de milliers de cycles comme les batteries.
Dans un article paru en ligne le 19 mai dans le journal Lettres nano , Pint et Westover rapportent que leur nouveau supercondensateur structurel fonctionne parfaitement pour stocker et libérer une charge électrique tout en étant soumis à des contraintes ou à des pressions allant jusqu'à 44 psi et à des accélérations vibratoires supérieures à 80 g (nettement supérieures à celles agissant sur les aubes de turbine d'un moteur à réaction).
Par ailleurs, la robustesse mécanique de l'appareil ne compromet pas sa capacité de stockage d'énergie. "Dans un non emballé, État structurellement intégré, notre supercondensateur peut stocker plus d'énergie et fonctionner à des tensions plus élevées qu'un emballé, supercondensateur commercial standard, même sous des forces dynamiques et statiques intenses, " Pinte a dit.
Un domaine où les supercondensateurs sont à la traîne des batteries est la capacité de stockage d'énergie électrique :les supercondensateurs doivent être plus gros et plus lourds pour stocker la même quantité d'énergie que les batteries lithium-ion. Cependant, la différence n'est pas aussi importante lorsque l'on considère les systèmes de stockage d'énergie multifonctionnels.
« Les mesures de performance de la batterie changent lorsque vous stockez de l'énergie dans des matériaux lourds qui sont déjà nécessaires pour l'intégrité structurelle, " a déclaré Pint. " Les supercondensateurs stockent dix fois moins d'énergie que les batteries lithium-ion actuelles, mais ils peuvent durer mille fois plus longtemps. Cela signifie qu'ils sont mieux adaptés aux applications structurelles. Cela n'a pas de sens de développer des matériaux pour construire une maison, châssis de voiture, ou un véhicule aérospatial si vous devez les remplacer toutes les quelques années parce qu'ils meurent."
Les ingénieurs ont suspendu un ordinateur portable lourd au supercondensateur pour démontrer sa force. Crédit :Laboratoire de nanomatériaux et dispositifs énergétiques Vanderbilt
Les plaquettes de Westover sont constituées d'électrodes en silicium qui ont été traitées chimiquement afin qu'elles aient des pores nanométriques sur leurs surfaces internes, puis recouvertes d'une couche protectrice ultrafine de carbone de type graphène. Entre les deux électrodes se trouve un film polymère qui agit comme un réservoir d'ions chargés, similaire au rôle de la pâte électrolytique dans une batterie. Lorsque les électrodes sont pressées ensemble, le polymère suinte dans les minuscules pores de la même manière que le fromage fondu pénètre dans les coins et recoins du pain artisanal d'un panini. Lorsque le polymère refroidit et se solidifie, il forme une liaison mécanique extrêmement forte.
"Le plus gros problème avec la conception des supercaps porteurs est de les empêcher de se délaminer, " a déclaré Westover. " La combinaison d'un matériau nanoporeux avec l'électrolyte polymère lie les couches ensemble plus étroitement que la superglue. "
L'utilisation du silicium dans les supercondensateurs structurels est la mieux adaptée à l'électronique grand public et aux cellules solaires, mais Pint et Westover sont convaincus que les règles qui régissent le caractère porteur de leur conception s'appliqueront à d'autres matériaux, tels que les nanotubes de carbone et les métaux poreux légers comme l'aluminium.
L'intensité de l'intérêt pour les dispositifs « multifonctionnels » de ce type se reflète dans le fait que l'Agence des projets de recherche avancée pour l'énergie du département américain de l'Énergie investit 8,7 millions de dollars dans des projets de recherche qui se concentrent spécifiquement sur l'incorporation du stockage d'énergie dans les matériaux de structure. Il y a également eu des articles de presse récents sur plusieurs efforts majeurs pour développer des matériaux multifonctionnels ou des batteries structurelles pour une utilisation dans des véhicules électriques et pour des applications militaires. Cependant, Pint a souligné qu'il n'y a pas eu de rapports dans la littérature technique sur des tests effectués sur des matériaux de stockage d'énergie structurels qui montrent comment ils fonctionnent sous des charges mécaniques réalistes.
