Un peu de sodium va un long chemin. C'est du moins le cas dans les technologies énergétiques basées sur le carbone. Spécifiquement, l'incorporation de sodium dans des matériaux carbonés peut considérablement améliorer les électrodes, ce qui pourrait rationaliser la production de cellules solaires et de supercondensateurs.

Une équipe de recherche dirigée par Yun Hang Hu, le professeur Charles et Carroll McArthur de science et d'ingénierie des matériaux à Michigan Tech, a créé une toute nouvelle façon de synthétiser des nanoparois de carbone enrobées de sodium. Précédemment, le matériel n'était que théorique et le journal Lettres nano a récemment publié cette invention.

Mieux que le graphène

Haute conductivité électrique et grande surface accessible, qui sont requis pour les matériaux d'électrode idéaux dans les dispositifs énergétiques, s'opposent dans les matériaux actuels. Le carbone amorphe a une faible conductivité mais une grande surface. Graphite, d'autre part, a une conductivité élevée mais une faible surface spécifique. Le graphène tridimensionnel a le meilleur des deux propriétés - et le carbone noyé dans le sodium inventé par Hu à Michigan Tech est encore meilleur.

"La conductivité du carbone enrobé de sodium est de deux ordres de grandeur plus grande que celle du graphène tridimensionnel, " Hu dit. " La structure de nanowall, avec tous ses canaux et pores, a également une grande surface accessible comparable au graphène."

Ceci est différent du carbone dopé au métal où les métaux sont simplement à la surface du carbone et sont facilement oxydés; l'incorporation d'un métal dans la structure de carbone réelle permet de le protéger. Pour faire un tel matériel de rêve, Hu et son équipe ont dû créer un nouveau processus. Ils ont utilisé une réaction à température contrôlée entre le sodium métallique et le monoxyde de carbone pour créer une poudre de carbone noir qui emprisonne les atomes de sodium. Par ailleurs, en collaboration avec des chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Université du Texas à Austin, ils ont démontré que le sodium était noyé à l'intérieur du carbone au lieu d'adhérer à la surface du carbone.

Seule une infime quantité de sodium incorporé est nécessaire pour obtenir une conductivité élevée pour le carbone de grande surface, ce qui en fait un matériau d'électrode prometteur pour les dispositifs énergétiques tels que les cellules solaires à colorant et les supercondensateurs.

Cellules solaires

Les cellules solaires à colorant (DSSC) sont une alternative aux panneaux à base de silicium couramment utilisés pour la production d'électricité à partir de la lumière du soleil. Le platine est le matériau de contre-électrode actuel de choix pour les DSSC.

"Toutefois, le carbone noyé dans le sodium est à la fois moins cher et plus efficace que le platine dans ces cellules solaires, " dit Hu.

Dans le monde des cellules solaires à colorant, chaque dixième de pour cent compte pour rendre les appareils plus efficaces et commercialement viables. Dans l'étude, la cellule solaire à base de platine a atteint une efficacité de conversion de puissance de 7,89 pour cent, qui est considéré comme standard. En comparaison, la cellule solaire utilisant le carbone noyé dans le sodium de Hu a atteint des rendements de 11,03 pour cent.

Supercondensateur

Les supercondensateurs peuvent accepter et livrer des charges beaucoup plus rapidement que les batteries rechargeables et sont idéaux pour les voitures, les trains, ascenseurs et autres équipements lourds. La puissance de leur poinçon électrique se mesure en farads (F); la densité du matériau, en grammes (g), importe aussi.

Le charbon actif est couramment utilisé pour les supercondensateurs; il emballe un 71 F g ^-1 coup de poing. Le graphène tridimensionnel a plus de puissance avec un 112 F g ^-1 la mesure. Le carbone incrusté de sodium les fait tous les deux sortir du ring avec un 145 F g ^-1 la mesure. Plus, après 5, 000 cycles de charge/décharge, le matériau conserve une capacité de 96,4 pour cent, qui indique la stabilité de l'électrode.

Batteries et au-delà

La prochaine étape de la recherche sera d'évaluer le matériau dans d'autres dispositifs énergétiques.

« Dans nos recherches, nous travaillons à la fois avec de la théorie et des expériences, " dit Hu. "Cela nous donne une opportunité unique de créer de nouveaux matériaux."

Hu dit que l'innovation dans les appareils énergétiques est très demandée. Il voit un avenir radieux pour le carbone incrusté de sodium et les améliorations qu'il offre dans la technologie solaire, piles, réservoirs de carburant, et supercondensateurs.