(Phys.org) — Des chercheurs du California NanoSystems Institute (CNSI) de l'UCLA ont préparé le terrain pour un tournant décisif dans le stockage d'énergie mobile en utilisant un matériau de graphène spécial pour augmenter considérablement la densité énergétique des condensateurs électrochimiques, les mettant sur un pied d'égalité avec les batteries au plomb.

Le matériel, appelé cadre de graphène troué, a une dimension tridimensionnelle, structure perforée caractérisée par de minuscules trous; il augmente non seulement la densité énergétique (la quantité d'énergie stockée et prête à l'emploi) mais permet aux condensateurs électrochimiques de maintenir leur densité de puissance élevée (la quantité de puissance par unité de masse ou de volume), selon Xiangfeng Duan, un professeur de chimie et de biochimie de l'UCLA qui a dirigé la recherche.

Condensateurs électrochimiques, également appelés EC ou supercondensateurs, sont une technologie importante pour l'avenir du stockage d'énergie et des alimentations électriques mobiles, mais ils ont été limités par une faible densité d'énergie. Par rapport aux batteries traditionnelles, Les EC ont généralement une densité de puissance et une durée de vie supérieures - le nombre de cycles complets de charge-décharge qu'une source d'énergie peut supporter avant qu'elle ne diminue à 80 % de sa capacité d'origine et soit considérée comme « usée ». Mais ils ont eu une densité d'énergie d'au moins un ordre de grandeur en dessous des batteries.

Parce que le composant principal d'un EC est son matériau d'électrode, qui est responsable de la performance globale de la CE, des recherches récentes se sont concentrées sur de nouveaux matériaux efficaces capables d'augmenter la densité énergétique sans sacrifier la densité de puissance ou la durée de vie du cycle. Une électrode EC haute performance doit avoir une conductivité électrique élevée, une surface élevée accessible aux ions, un taux de transport ionique élevé et une stabilité électrochimique élevée.

Les EC à la pointe de la technologie utilisent généralement des électrodes à charbon actif poreux avec des densités d'énergie bien inférieures à celles des batteries au plomb—4 à 5 wattheures par kilogramme contre 25 à 35 wattheures par kilogramme (5 à 7 wattheures par litre contre 50 à 90 wattheures par litre).

Dans leur étude, publié en ligne le 8 août dans la revue Communication Nature , les chercheurs du CNSI dirigés par Duan ont utilisé un cadre de graphène troué 3D hautement interconnecté comme matériau d'électrode pour créer un EC avec des performances sans précédent. L'électrode démontre une conductivité électrique supérieure, flexibilité mécanique exceptionnelle et porosité hiérarchique unique, assurant le transport efficace des électrons et des ions et permettant les densités d'énergie gravimétriques les plus élevées de 127 wattheures par kilogramme et une densité d'énergie volumétrique de 90 wattheures par litre.

Par ailleurs, l'équipe a montré qu'un EC entièrement emballé présente des densités d'énergie inégalées de 35 wattheures par kilogramme (49 wattheures par litre), environ cinq à dix fois plus élevées que les supercondensateurs commerciaux actuels et comparables aux batteries acides.

"Le Holey Grahene EC comble l'écart de densité énergétique entre les condensateurs traditionnels et les batteries, mais avec une densité de puissance beaucoup plus élevée, " a déclaré Duan. " Cela crée des opportunités intéressantes pour les alimentations mobiles pour de nombreuses applications, des téléphones portables aux véhicules électriques. "