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supercondensateurs extensibles pour alimenter les appareils portables de demain

2020-03-25

source de l'histoire: scientifiquement

des chercheurs de l'université duke et de l'université d'État du michigan ont conçu un nouveau type de supercondensateur qui reste pleinement fonctionnel même lorsqu'il est étiré jusqu'à huit fois sa taille d'origine. il ne présente aucune usure due à des étirements répétés et ne perd que quelques points de pourcentage de performance énergétique après 10 000 cycles de charge et de décharge.

les chercheurs envisagent que le supercondensateur fasse partie d'un système électronique flexible, indépendant de la puissance et extensible pour des applications telles que l'électronique portable ou les dispositifs biomédicaux.

les résultats apparaissent en ligne le 19 mars matière , un journal de la presse cellulaire. l'équipe de recherche comprend l'auteur principal changyong cao, professeur adjoint d'emballage, de génie mécanique et de génie électrique et informatique à l'université d'État du michigan (msu), et l'auteur principal jeff glass, professeur de génie électrique et informatique à duke. leurs co-auteurs sont les doctorants yihao zhou et qiwei han et le chercheur charles parker de duke, ainsi que le doctorant yunteng cao des instituts de technologie du massachusetts.

"notre objectif est de développer des dispositifs innovants qui peuvent survivre à des déformations mécaniques telles que l'étirement, la torsion ou la flexion sans perte de performances", a déclaré cao, directeur du laboratoire des machines douces et de l'électronique chez msu. "mais si la source d'alimentation d'un appareil électronique extensible n'est pas extensible, alors le système complet de l'appareil sera contraint d'être non extensible."

un supercondensateur (également appelé parfois ultracondensateur) stocke l'énergie comme une batterie, mais avec quelques différences importantes. contrairement aux batteries, qui stockent l'énergie chimiquement et génèrent des charges par des réactions chimiques, un supercondensateur électrostatique à double couche (edlsc), stocke l'énergie par la séparation des charges et ne peut pas créer sa propre électricité. il doit être facturé à l'extérieur. pendant la charge, les électrons sont accumulés sur une partie de l'appareil et retirés de l'autre, de sorte que lorsque les deux côtés sont connectés, l'électricité circule rapidement entre eux.

contrairement aux batteries, les supercondensateurs sont capables de décharger leur énergie en rafales courtes mais massives, plutôt que par un long filet lent. ils peuvent également charger et décharger beaucoup plus rapidement qu'une batterie et tolèrent beaucoup plus de cycles de charge-décharge qu'une batterie rechargeable. cela les rend parfaits pour les applications courtes et à haute puissance telles que la désactivation du flash dans un appareil photo ou les amplificateurs dans une chaîne stéréo.

mais la plupart des supercondensateurs sont tout aussi durs et cassants que tout autre composant sur une carte de circuit imprimé. c'est pourquoi le cao et le verre ont passé des années à travailler sur une version extensible.

dans leur nouvel article, les chercheurs démontrent le point culminant de leurs travaux à ce point, en fabriquant un supercondensateur de la taille d'un tampon qui peut transporter plus de deux volts. lors de la connexion de quatre ensembles, comme de nombreux appareils nécessitent des piles aa ou aaa, les supercondensateurs peuvent alimenter une montre casio à deux volts pendant une heure et demie.

pour fabriquer les supercondensateurs extensibles, le verre et son équipe de recherche développent d'abord une forêt de nanotubes de carbone - un patch de millions de nanotubes de seulement 15 nanomètres de diamètre et 20-30 micromètres de hauteur - au-dessus d'une plaquette de silicium. c'est à peu près la largeur de la plus petite bactérie et la hauteur de la cellule animale qu'elle infecte.

les chercheurs ont ensuite recouvert une fine couche de nanofilm d'or au sommet de la forêt de nanotubes de carbone. la couche d'or agit comme une sorte de collecteur électrique, faisant chuter la résistance de l'appareil d'un ordre de grandeur en dessous des versions précédentes, ce qui permet à l'appareil de se charger et de se décharger beaucoup plus rapidement.

le verre cède ensuite le processus d'ingénierie à cao, qui transfère la forêt de nanotubes de carbone à un substrat d'élastomère pré-étiré avec la base côté or vers le bas. l'électrode remplie de gel est ensuite détendue pour permettre à la précontrainte de se libérer, la faisant rétrécir au quart de sa taille d'origine. ce processus froisse la fine couche d'or et brise les «arbres» de la forêt de nanotubes de carbone.

"le froissement augmente considérablement la quantité de surface disponible dans un petit espace, ce qui augmente la quantité de charge qu'il peut contenir", a expliqué le verre. "Si nous avions toute la pièce du monde pour travailler, une surface plane fonctionnerait bien. Mais si nous voulons un supercondensateur pouvant être utilisé dans de vrais appareils, nous devons le rendre aussi petit que possible."

la forêt super dense est ensuite remplie d'un électrolyte gel qui peut piéger les électrons à la surface des nanotubes. lorsque deux de ces électrodes finales sont prises en sandwich à proximité l'une de l'autre, une tension appliquée charge un côté avec des électrons tandis que l'autre est drainé, créant un supercondensateur super-extensible chargé.

"Nous avons encore du travail à faire pour construire un système électronique extensible complet", a déclaré M. cao. "Le supercondensateur démontré dans cet article ne va pas aussi loin que nous le souhaitons. créer des appareils entièrement extensibles. "

Les supercondensateurs extensibles, expliquent les chercheurs, pourraient alimenter seuls certains appareils futuristes, ou ils pourraient être combinés avec d'autres composants pour surmonter les défis d'ingénierie. par exemple, les supercondensateurs peuvent être chargés en quelques secondes, puis recharger lentement une batterie qui agit comme la principale source d'énergie d'un appareil. cette approche a été utilisée pour la coupure régénérative dans les voitures hybrides, où l'énergie est produite plus rapidement qu'elle ne peut être stockée. les supercondensateurs augmentent l'efficacité de l'ensemble du système. ou comme le Japon l'a déjà démontré, les supercondensateurs peuvent alimenter un bus pour les déplacements urbains, effectuant une recharge complète à chaque arrêt dans le court laps de temps nécessaire pour charger et décharger des passagers.

"Beaucoup de gens veulent coupler des supercondensateurs et des batteries", a déclaré Glass. "Un supercondensateur peut se charger rapidement et survivre à des milliers voire des millions de cycles de charge, tandis que les batteries peuvent stocker plus de charge pour durer longtemps. Les assembler vous offre le meilleur des deux mondes. Elles remplissent deux fonctions différentes au sein d'une même alimentation électrique système."

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