Team développe une méthode rapide et économique pour fabriquer des électrodes de supercondensateurs pour les voitures électriques, les lasers puissants

Anonim

Les supercondensateurs sont un type d'appareil bien nommé, capable de stocker et de fournir de l'énergie plus rapidement que les batteries conventionnelles. Ils sont très demandés pour des applications telles que les voitures électriques, les télécommunications sans fil et les lasers à haute puissance.

Mais pour réaliser ces applications, les supercondensateurs ont besoin de meilleures électrodes, qui connectent le supercondensateur aux dispositifs qui dépendent de leur énergie. Ces électrodes doivent être à la fois plus rapides et moins chères à fabriquer à grande échelle et également capables de charger et de décharger leur charge électrique plus rapidement. Une équipe d'ingénieurs de l'Université de Washington pense avoir mis au point un procédé de fabrication de matériaux d'électrodes de supercondensateurs qui répondront à ces exigences industrielles et d'utilisation strictes.

Les chercheurs, dirigés par Peter Pauzauskie, professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux chez UW, ont publié le 17 juillet un article dans la revue Nature Microsystems et Nanoengineering décrivant leur électrode de supercondensateur et la manière rapide et peu coûteuse de la réaliser. Leur nouvelle méthode commence avec des matériaux riches en carbone qui ont été séchés dans une matrice de faible densité appelée aérogel. Cet aérogel seul peut servir d'électrode brute, mais l'équipe de Pauzauskie a plus que doublé sa capacité, qui est sa capacité à stocker la charge électrique.

Ces matières premières peu coûteuses, associées à un processus de synthèse rationalisé, minimisent deux obstacles courants à l’application industrielle: le coût et la rapidité.

"Dans les applications industrielles, le temps, c'est de l'argent", a déclaré Pauzauskie. "Nous pouvons fabriquer les matériaux de départ pour ces électrodes en quelques heures plutôt qu'en quelques semaines. Et cela peut réduire considérablement le coût de synthèse de la fabrication d'électrodes de supercondensateurs hautes performances."

Les électrodes de supercondensateurs efficaces sont synthétisées à partir de matériaux riches en carbone qui ont également une grande surface. Cette dernière exigence est critique en raison de la façon unique dont les supercondensateurs stockent la charge électrique. Alors qu'une batterie conventionnelle stocke des charges électriques via les réactions chimiques qui se produisent en son sein, un supercondensateur stocke et sépare les charges positives et négatives directement sur sa surface.

"Les supercondensateurs peuvent agir beaucoup plus rapidement que les batteries car ils ne sont pas limités par la rapidité de la réaction ou des sous-produits qui peuvent se former", a déclaré Matthew Lim, co-auteur principal au Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux. "Les supercondensateurs peuvent charger et décharger très rapidement, ce qui explique pourquoi ils sont très efficaces pour délivrer ces impulsions de puissance."

«Ils ont d’excellentes applications dans les environnements où la batterie est trop lente», a déclaré l’auteur principal, Matthew Crane, étudiant au doctorat au Département de génie chimique de l’UW. "Dans les moments où une batterie est trop lente pour répondre à la demande en énergie, un supercondensateur avec une électrode de grande surface pourrait rapidement entrer en action et compenser le déficit énergétique."

Pour obtenir la surface élevée d'une électrode efficace, l'équipe a utilisé des aérogels. Ce sont des substances humides, semblables à un gel, qui ont subi un traitement spécial de séchage et de chauffage pour remplacer leurs composants liquides par de l'air ou un autre gaz. Ces méthodes préservent la structure tridimensionnelle du gel, lui conférant une grande surface et une densité extrêmement faible. C'est comme enlever toute l'eau de Jell-O sans rétrécir.

"Un gramme d'aérogel contient à peu près autant de surface qu'un terrain de football", a déclaré Pauzauskie.

La grue a fabriqué des aérogels à partir d'un polymère en forme de gel, un matériau à unités structurelles répétées, créé à partir de formaldéhyde et d'autres molécules à base de carbone. Cela garantissait que leur dispositif, comme les électrodes des supercondensateurs d'aujourd'hui, serait constitué de matériaux riches en carbone.

Auparavant, Lim a démontré que l'ajout de graphène - qui est une feuille de carbone de seulement un atome d'épaisseur - au gel donnait à l'aérogel résultant des propriétés de supercondensateur. Cependant, Lim et Crane devaient améliorer les performances de l'aérogel et rendre le processus de synthèse moins coûteux et plus facile.

Dans les expériences précédentes de Lim, l'ajout de graphène n'avait pas amélioré la capacité de l'aérogel. Ils ont donc chargé des aérogels de fines feuilles de disulfure de molybdène ou de disulfure de tungstène. Les deux produits chimiques sont largement utilisés aujourd'hui dans les lubrifiants industriels.

Les chercheurs ont traité les deux matériaux avec des ondes sonores à haute fréquence pour les décomposer en fines feuilles et les ont incorporées dans la matrice de gel riche en carbone. Ils pourraient synthétiser un gel humide entièrement chargé en moins de deux heures, alors que d'autres méthodes prendraient plusieurs jours.

Après avoir obtenu l’aérogel de faible densité séché, ils l’ont combiné avec des adhésifs et un autre matériau riche en carbone pour créer une «pâte» industrielle, que Lim pourrait simplement étendre en feuilles de quelques millièmes de pouce d’épaisseur. Ils ont coupé des disques d'un demi pouce de la pâte et les ont assemblés en boîtiers de piles simples pour vérifier l'efficacité du matériau en tant qu'électrode de supercondensateur.

Non seulement leurs électrodes étaient rapides, simples et faciles à synthétiser, mais leur capacité était également supérieure d'au moins 127% à celle de l'aérogel riche en carbone.

Lim et Crane s'attendent à ce que les aérogels chargés de feuilles encore plus minces de disulfure de molybdène ou de disulfure de tungstène (leur épaisseur d'environ 10 à 100 atomes) montre une performance encore meilleure. Mais d'abord, ils voulaient montrer que les aérogels chargés seraient plus rapides et moins coûteux à synthétiser, une étape nécessaire pour la production industrielle. La mise au point vient ensuite.

L'équipe estime que ces efforts peuvent aider à faire progresser la science, même en dehors du domaine des électrodes de supercondensateurs. Leur disulfure de molybdène en suspension dans l’aérogel pourrait rester suffisamment stable pour catalyser la production d’hydrogène. Et leur méthode de piégeage rapide des matériaux dans les aérogels pourrait être appliquée aux batteries à haute capacité ou à la catalyse.

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