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Le nouveau supercondensateur graphène + nanotubes de carbone rivalise avec une pile au lithium

2015-08-20
une équipe internationale de chercheurs a mis au point une recette pour un dispositif de stockage d'énergie flexible à l'échelle du microscope composé de graphène et de nanotubes de carbone, capable de stocker suffisamment d'énergie pour rivaliser avec les piles au lithium, la norme absolue. c’est important, car l’appareil n’est en réalité pas une batterie, c’est un supercondensateur qui peut se charger et se décharger beaucoup plus rapidement que la batterie.

c’est également important parce que l’équipe de recherche a mis au point une méthode de fabrication qui donne une fibre longue (jusqu’à 50 mètres de long). cela ouvre toutes sortes d'opportunités pour intégrer le nouveau supercondensateur à des vêtements pour alimenter l'électronique portable. dans la mesure où la fibre sert également de conducteur, elle peut également être utilisée à la place de fils pour réduire la taille et le poids des appareils portables, y compris les implants médicaux.

batteries vs supercondensateurs: un examen rapide

Les piles et les supercondensateurs emmagasinent de l’énergie, mais il ya un problème. Les batteries ont une densité d'énergie plus élevée, ce qui signifie qu'elles peuvent stocker de l'énergie pendant de plus longues périodes, mais leur densité de puissance est faible. cela signifie qu'ils ne peuvent pas décharger rapidement.

Les supercondensateurs ont le problème opposé: leur faible densité énergétique signifie qu’ils ne peuvent pas stocker autant d’énergie, mais leur densité de puissance élevée leur permet de fournir de l’énergie rapidement en cas de besoin.

Pour résoudre le problème de la densité d'énergie des supercondensateurs, il faut trouver un matériau présentant une proportion relativement élevée de surface disponible pour le stockage d'énergie.

c’est là que le graphène, le nanomatériaux du nouveau millénaire ”Entre en jeu. Un nouveau matériau découvert il y a à peine 10 ans, le graphène est constitué d'une feuille de carbone épaisse d'un atome. la structure en deux dimensions est essentiellement toute la surface, mais le graphène notoirement difficile présente de nombreux défis pour traduire ses pouvoirs en stockage d'énergie, photovoltaïque et autres domaines.

apprivoiser le graphène pour un supercondensateur graphène / nanotubes de carbone

le schéma ci-dessus est issu d'un travail de 2009 sur supercondensateur hybride graphène / nanotubes de carbone Par Dingshang Yu de l’université technologique de Nanyang à Singapour et Case Western’s et Laming Dai, également membres de l’équipe de recherche internationale actuelle (la Chine participe également à l’université Tsinghua).

ce travail a permis de résoudre un problème énorme avec le graphène. d'autres efforts ont montré que, bien que l'approche hybride soit prometteuse, le graphène ne coopère pas:

… La plupart des techniques mentionnées ci-dessus [pour l'obtention d'un film de graphène] souffrent d'un manque de contrôle de l'architecture / des propriétés du film, ce qui entraîne une perte de surface pour le stockage d'énergie en raison de: agrégation de graphène. Par conséquent, pour les applications de stockage d’énergie, il est donc hautement souhaitable d’utiliser des nanotubes de carbone unidimensionnels (1d) pour séparer physiquement les gels 2D afin de préserver la grande surface spécifique du graphène.

L'étude de 2009 est arrivée à un processus d'auto-assemblage pour résoudre le problème, aboutissant à un film de graphène / nanotube de carbone.

une fibre hybride de supercondensateur

la présente étude, dirigée par yuan chen de l’université technologique de nayang et co-écrite par dai, vient de paraître dans nature nanotechnologie . Il explique en détail comment l’équipe a traduit la technique d’auto-assemblage en une fibre longue:

une solution contenant des nanotubes à simple paroi oxydés à l'acide, de l'oxyde de graphène et de l'éthylènediamine, qui favorise la synthèse et permet le graphène avec de l'azote, est pompée à travers un tube étroit et flexible appelé colonne capillaire et chauffée dans un four pendant six heures.

L'avantage de cette structure est l'énorme quantité de surface disponible pour le stockage d'énergie et la conduction de la charge, enregistrant 396 mètres carrés par gramme de fibre.

la comparaison favorable avec le lithium a été démontrée dans un micro-supercondensateur à l'état solide, que l'équipe de recherche a assemblé à partir de deux fibres de graphène / nanotubes de carbone. avec un gel d’alcool polyvinylique / acide phosphorique utilisé comme électrolyte, l’appareil atteint une densité de 6,3 microwattheures par millimètre cube.

selon l'équipe de recherche, cela se compare à une pile au lithium à film mince de 4 volts / 500 microampères-heure.

ils ont également trouvé quelque chose d'intéressant sur la façon dont les fibres sont arrangées. lorsque trois paires de fibres étaient disposées en série, la tension triplait et le temps de charge / décharge restait le même.

Cependant, lorsque trois paires sont disposées en parallèle, le courant de sortie et le temps de charge / décharge ont triplé.

il pourrait également y avoir des avantages importants en matière de coûts et de problèmes liés à la chaîne d'approvisionnement. comparés au lithium, les nanotubes de carbone et le graphène sont moins chers et plus facilement disponibles.

Le supercondensateur hybride semble également avoir un cycle de vie beaucoup plus long que les batteries rechargeables classiques, ce qui facilite également la comparaison des coûts.

L'équipe a testé son supercondensateur à 10 000 cycles de charge / décharge et a dégagé une rétention de performance d'environ 93%. Les piles rechargeables conventionnelles perdent généralement leurs performances avant d'atteindre la barre des 1 000 cycles.

pour couronner le tout, les fibres ont également conservé leurs performances lorsqu'elles ont été soumises à des tests de flexibilité et à des tests de résistance.

restez à l’écoute, car l’équipe de recherche envisage également d’appliquer ses nouveaux supercondensateurs aux batteries, cellules solaires et piles à combustible microbiennes.

plus d'informations: www.greentechee.com

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