L'Institut des matériaux supraconducteurs et électroniques (ISEM) de l'UOW a été le pionnier avec succès d'un moyen de construire un dispositif de stockage d'énergie pliable et léger qui fournit les éléments constitutifs des batteries de nouvelle génération nécessaires pour alimenter les appareils électroniques portables et les dispositifs médicaux implantables.

L'énigme à laquelle les chercheurs ont été confrontés dans le développement de dispositifs de stockage d'énergie miniatures, tels que les batteries et les supercondensateurs, a trouvé comment augmenter la surface de l'appareil, pour stocker plus de charge, sans l'agrandir.

"Parmi tous les appareils électroniques modernes, les appareils électroniques portables sont parmi les plus excitants, ", a déclaré Monirul Islam, doctorant à l'ISEM. "Mais le plus grand défi est de charger le stockage dans un petit volume ainsi que de pouvoir fournir cette charge rapidement à la demande."

Pour résoudre ce problème, une équipe de doctorants, dirigé par le Dr Konstantin Konstantinov sous le patronage du directeur de l'ISEM, le professeur Shi Xue Dou et avec le soutien du professeur Hua Kun Liu, le responsable de la division Stockage d'énergie de l'ISEM, ont développé une structure tridimensionnelle à l'aide d'un auto-assemblage à plat de trois composants :le graphène, un polymère conducteur et des nanotubes de carbone, qui sont des réseaux de carbone en forme de réseau d'épaisseur atomique formés en cylindres.

Le graphène, un matériau dit miracle, fabriqué à partir de couches simples de graphite d'épaisseur atomique, était un candidat approprié en raison de ses performances électroniques et de sa résistance mécanique.

"Nous savions en théorie que si vous pouvez faire une sorte de squelette de carbone, vous avez une plus grande surface et une plus grande surface signifie plus de charge, " a déclaré le Dr Konstantinov. " Si nous pouvions séparer efficacement les couches de carbone, nous pourrions alors utiliser les deux surfaces de chaque couche pour l'accumulation de charges. Le problème auquel nous avons été confrontés était que la fabrication de ces formes 3D dans la pratique, pas seulement la théorie, est un défi, sinon tâche impossible."

La solution consistait à emballer les composants à plat en construisant la forme 3D couche par couche, un peu comme un exercice miniature de décoration de gâteau. Le graphène sous forme liquide a été mélangé avec le polymère conducteur et réduit en solide et les nanotubes de carbone soigneusement insérés entre les couches de graphène pour former un emballage plat auto-assemblé, matériau de supercondensateur ultra-fin.

"Le vrai défi était de savoir comment assembler ces trois composants en une seule structure avec la meilleure utilisation de l'espace disponible, " Le doctorant Monirul Islam a déclaré. " Obtenir les proportions ou les rapports des composants de manière appropriée afin d'obtenir un matériau composite avec des performances de stockage d'énergie maximales était un autre défi. "

De mauvaises proportions de l'un ou l'autre des ingrédients entraînent un gâchis grumeleux, ou une forme 3D qui n'est pas assez solide pour conserver la flexibilité nécessaire ainsi que la capacité de stockage de charge. Il y a aussi de l'élégance dans la simplicité du design de l'équipe :les chercheurs ont dispersé les composants dans du cristal liquide, ce qui a permis aux interactions chimiques naturelles d'empêcher les couches de graphène de s'agglomérer.

Le résultat était une forme 3D avec, grâce aux nanotubes de carbone, une superficie massive, excellente capacité de charge qui est également pliable. Il peut également être fabriqué à moindre coût et facilement sans avoir besoin de chambres à vide coûteuses ou d'équipements sophistiqués.

"Notre base de graphène, le composite flexible est hautement conducteur, poids léger, est capable de se plier comme un rouleau ou de s'empiler comme un papier dans les appareils électroniques pour stocker une énorme quantité de charge, " a déclaré Monirul. " Ce matériau peut stocker la charge en une seconde et fournir la charge à une vitesse ultra-rapide et sera plus léger que les batteries traditionnelles utilisées dans l'électronique d'aujourd'hui. "

L'étude ISEM a été soutenue financièrement par le CRC Automotive Australia 2020 dans le cadre de ses recherches sur les véhicules électriques. L'ISEM est le chef de file du programme d'électrification et joue un rôle crucial dans la conception des véhicules électriques de prochaine génération. Une clé pour déverrouiller les capacités du véhicule électrique est un bloc-batterie léger et puissant.

"Notre méthode de fabrication simple de matériaux respectueux de l'environnement avec des performances accrues a un grand potentiel d'être étendu pour l'utilisation de la technologie des supercondensateurs et des batteries. Notre prochaine étape consiste à utiliser ce matériau pour fabriquer des supercondensateurs portables flexibles avec une densité de puissance et une densité d'énergie élevées ainsi que supercondensateurs à grande échelle pour véhicules électriques."

La recherche a été récemment publiée dans la revue ACS Science centrale .