L'hybride de graphène fabriqué à partir de cadres organiques métalliques (MOF) et d'acide graphénique constitue une excellente électrode positive pour les supercondensateurs, qui atteignent ainsi une densité d'énergie similaire à celle des batteries nickel-hydrure métallique. Crédit :Prof. Dr. J. Kolleboyina/IITJ
Une équipe travaillant avec Roland Fischer, Le professeur de chimie inorganique et métal-organique à l'Université technique de Munich (TUM) a développé un supercondensateur très efficace. La base du dispositif de stockage d'énergie est un roman, matériau hybride de graphène puissant et durable qui a des données de performance comparables aux batteries actuellement utilisées.
D'habitude, le stockage d'énergie est associé aux piles et accumulateurs qui fournissent de l'énergie pour les appareils électroniques. Cependant, dans les ordinateurs portables, appareils photo, téléphones portables ou véhicules, les supercondensateurs sont de plus en plus installés de nos jours.
Contrairement aux batteries, elles peuvent stocker rapidement de grandes quantités d'énergie et les éteindre tout aussi rapidement. Si, par exemple, un train freine à l'entrée de la gare, les supercondensateurs stockent l'énergie et la restituent lorsque le train a besoin de beaucoup d'énergie très rapidement au démarrage.
Cependant, un problème avec les supercondensateurs à ce jour était leur manque de densité énergétique. Alors que les accumulateurs au lithium atteignent une densité d'énergie allant jusqu'à 265 kilowattheures (KW/h), les supercondensateurs n'en ont fourni jusqu'à présent qu'un dixième.
Le matériau durable offre des performances élevées
L'équipe travaillant avec le chimiste de TUM Roland Fischer a maintenant développé un roman, matériau hybride de graphène puissant et durable pour les supercondensateurs. Il sert d'électrode positive dans le dispositif de stockage d'énergie. Les chercheurs le combinent avec une électrode négative éprouvée à base de titane et de carbone.
Le nouveau dispositif de stockage d'énergie n'atteint pas seulement une densité d'énergie allant jusqu'à 73 Wh/kg, qui est à peu près équivalente à la densité d'énergie d'une batterie nickel-hydrure métallique, mais fonctionne également bien mieux que la plupart des autres supercondensateurs à une densité de puissance de 16 kW/kg. Le secret du nouveau supercondensateur réside dans la combinaison de différents matériaux. les chimistes appellent le supercondensateur «asymétrique».
Les hybrides de graphène fabriqués à partir de structures organométalliques (MOF) et d'acide graphénique constituent une excellente électrode positive pour les supercondensateurs, qui atteignent ainsi une densité d'énergie similaire à celle des batteries nickel-hydrure métallique. Crédit :Prof. Dr. Jayaramulu Kolleboyina/IITJ
Matériaux hybrides :la nature est le modèle
Les chercheurs parient sur une nouvelle stratégie pour dépasser les limites de performance des matériaux standards :ils utilisent des matériaux hybrides. « La nature est pleine de choses très complexes, des matériaux hybrides optimisés sur le plan de l'évolution - les os et les dents en sont des exemples. leurs propriétés mécaniques, tels que la dureté et l'élasticité ont été optimisés grâce à la combinaison de divers matériaux par nature, " dit Roland Fischer.
L'idée abstraite de combiner des matériaux de base a été transférée aux supercondensateurs par l'équipe de recherche. Comme base, ils ont utilisé la nouvelle électrode positive de l'unité de stockage avec du graphène modifié chimiquement et l'ont combinée avec une structure organique métallique nanostructurée, un soi-disant MOF.
Puissant et stable
Des éléments déterminants pour la performance des hybrides de graphène sont d'une part une grande surface spécifique et des tailles de pores contrôlables et d'autre part une conductivité électrique élevée. "Les capacités de haute performance du matériau sont basées sur la combinaison des MOF microporeux avec l'acide graphène conducteur, " explique le premier auteur Jayaramulu Kolleboyina, un ancien scientifique invité travaillant avec Roland Fischer.
Une grande surface est importante pour de bons supercondensateurs. Il permet de collecter respectivement un grand nombre de porteurs de charges au sein du matériau, c'est le principe de base du stockage de l'énergie électrique.
Grâce à une conception matérielle habile, les chercheurs ont réalisé l'exploit de lier l'acide graphène aux MOF. Les MOF hybrides résultants ont une très grande surface interne allant jusqu'à 900 mètres carrés par gramme et sont très performants en tant qu'électrodes positives dans un supercondensateur.
Les hybrides de graphène fabriqués à partir de structures organométalliques (MOF) et d'acide graphénique constituent une excellente électrode positive pour les supercondensateurs, qui atteignent ainsi une densité d'énergie similaire à celle des batteries nickel-hydrure métallique. La couleur noire indique une mobilité élevée des électrons dans le matériau. Crédit :Prof. Dr. J. Kolleboyina / IITJ
Longue stabilité
Cependant, ce n'est pas le seul avantage du nouveau matériau. Pour obtenir un hybride chimiquement stable, il faut des liaisons chimiques fortes entre les composants. Les liaisons sont apparemment les mêmes que celles entre les acides aminés dans les protéines, selon Fischer :« En fait, nous avons relié l'acide graphène à un acide aminé MOF, qui crée un type de liaison peptidique."
La connexion stable entre les composants nanostructurés présente d'énormes avantages en termes de stabilité à long terme :plus les liaisons sont stables, plus le nombre de cycles de charge et de décharge est possible sans dégradation significative des performances.
A titre de comparaison :un accumulateur lithium classique a une durée de vie d'environ 5, 000 cycles. La nouvelle cellule développée par les chercheurs du TUM conserve près de 90 % de sa capacité même après 10, 000 cycles.
Réseau international d'experts
Fischer souligne à quel point la coopération internationale sans entraves contrôlée par les chercheurs eux-mêmes était importante lorsqu'il s'agissait de développer le nouveau supercondensateur. Par conséquent, Jayaramulu Kolleboyina a construit l'équipe. Il était un scientifique indien invité par la Fondation Alexander von Humboldt et qui dirige maintenant le département de chimie du nouvel Institut indien de technologie à Jammu.
"Notre équipe a également travaillé en réseau avec des experts en électrochimie et en recherche sur les batteries à Barcelone ainsi qu'avec des experts en dérivés du graphène de la République tchèque, " rapporte Fischer. " De plus, nous avons intégré des partenaires des États-Unis et de l'Australie. Ce merveilleux, la coopération internationale est très prometteuse pour l'avenir."
