Les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés des dizaines de milliers de fois, mais leur densité énergétique relativement faible par rapport aux batteries conventionnelles limite leur application pour le stockage d'énergie. Maintenant, Les chercheurs d'A*STAR ont développé un supercondensateur «asymétrique» à base de nitrures métalliques et de graphène qui pourrait être une solution viable de stockage d'énergie.

La viabilité d'un supercondensateur est largement déterminée par les matériaux dont sont constituées ses anodes et ses cathodes. Ces électrodes doivent avoir une grande surface par unité de poids, une conductivité électrique et une capacité élevées et être physiquement robustes afin qu'ils ne se dégradent pas pendant le fonctionnement dans des environnements liquides ou hostiles.

Contrairement aux supercondensateurs traditionnels, qui utilisent le même matériau pour les deux électrodes, l'anode et la cathode d'un supercondensateur asymétrique sont constituées de matériaux différents. Les scientifiques ont initialement utilisé des oxydes métalliques comme électrodes de supercondensateurs asymétriques, mais, comme les oxydes métalliques n'ont pas de conductivités électriques particulièrement élevées et deviennent instables sur de longs cycles de fonctionnement, il était clair qu'une meilleure alternative était nécessaire.

Nitrures métalliques tels que le nitrure de titane, qui offrent à la fois une conductivité et une capacité élevées, sont une alternative prometteuse, mais ils ont tendance à s'oxyder dans des environnements aqueux, ce qui limite leur durée de vie en tant qu'électrode. Une solution consiste à les combiner avec des matériaux plus stables.

Hui Huang du Singapore Institute of Manufacturing Technology d'A*STAR et ses collègues de l'Université technologique de Nanyang et de l'Université de Jinan, Chine, ont fabriqué des supercondensateurs asymétriques qui incorporent des électrodes en nitrure métallique avec des feuilles de graphène empilées.

Pour tirer le meilleur parti de la surface de graphène, l'équipe a utilisé une méthode précise pour créer des couches minces, un processus connu sous le nom de dépôt de couche atomique, pour faire croître deux matériaux différents sur des nanofeuillets de graphène alignés verticalement :le nitrure de titane pour la cathode de leur supercondensateur et le nitrure de fer pour l'anode. La cathode et l'anode ont ensuite été chauffées à 800 et 600 degrés Celsius respectivement, et laisser refroidir lentement. Les deux électrodes ont ensuite été séparées dans le supercondensateur asymétrique par un électrolyte à l'état solide, qui empêchait l'oxydation des nitrures métalliques.

Les chercheurs ont testé leurs supercondensateurs et ont montré qu'ils pouvaient cycler 20, 000 fois et présentait à la fois une capacité élevée et une densité de puissance élevée. "Ces améliorations sont dues à la surface ultra-élevée du substrat de graphène aligné verticalement et à la méthode de dépôt de couche atomique qui permet de l'utiliser pleinement, " dit Huang. " Dans les recherches futures, nous voulons augmenter la tension de fonctionnement de l'appareil pour augmenter encore la densité d'énergie, " dit Huang.