🔋 Du dĂ©sordre pour booster le stockage de l’Ă©nergie

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La densitĂ© Ă©nergĂ©tique des supercondensateurs – dispositifs semblables aux batteries mais qui se chargent en quelques secondes ou quelques minutes – pourrait ĂŞtre amĂ©liorĂ©e en augmentant le « dĂ©sordre » de leur structure interne.

C’est ce que montre une Ă©tude publiĂ©e dans Science et menĂ©e par des scientifiques du CNRS (CIRIMAT/RS2E) et des UniversitĂ©s de Cambridge et de Lancaster. Un pas important vers l’Ă©lectrification du transport urbain grâce aux supercondensateurs.

Comme les batteries, les supercondensateurs stockent de l’Ă©nergie, mais ils peuvent se charger en quelques secondes ou quelques minutes, alors que les batteries prennent beaucoup plus de temps. Un bus, un train ou un mĂ©tro alimentĂ© par des supercondensateurs pourrait se recharger complètement le temps de laisser descendre et monter les passagers, ce qui lui fournirait suffisamment d’Ă©nergie pour atteindre l’arrĂŞt suivant.
Il ne serait donc pas nĂ©cessaire d’installer une infrastructure de recharge le long de la ligne. Les supercondensateurs sont aussi beaucoup plus durables que les batteries et peuvent supporter des millions de cycles de charge. Toutefois, avant de gĂ©nĂ©raliser l’utilisation de ces sprinters de l’Ă©nergie, leur capacitĂ© de stockage doit ĂŞtre amĂ©liorĂ©e.

Pour stocker et libĂ©rer l’Ă©nergie Ă©lectrique, un supercondensateur repose sur le mouvement de molĂ©cules chargĂ©es entre des Ă©lectrodes de carbone poreux, qui ont une structure très dĂ©sordonnĂ©e. Pour imaginer la structure de ces carbones, on peut penser Ă  un feuillet de graphène, de structure très ordonnĂ©e, que l’on froisserait. On obtient alors un dĂ©sordre similaire aux matĂ©riaux utilisĂ©s pour les Ă©lectrodes des supercondensateurs. Ce dĂ©sordre complique cependant l’identification et l’optimisation des paramètres qui gouvernent les performances des matĂ©riaux. Longtemps, la taille des nanopores, de minuscule trous, dans les Ă©lectrodes de carbone a Ă©tĂ© perçue comme le facteur clĂ©.

Dans le cadre d’une collaboration entre le Centre interuniversitaire de recherche et d’ingĂ©nierie des matĂ©riaux (CIRIMAT – CNRS/Toulouse INP/UniversitĂ© Toulouse III – Paul Sabatier) et les UniversitĂ©s de Cambridge et de Lancaster en Angleterre, des scientifiques ont analysĂ© une vaste sĂ©rie d’Ă©lectrodes de carbone nanoporeux disponibles dans le commerce et ont constatĂ© que l’effet de la taille des pores, observĂ© pour certains carbones, n’Ă©tait pas gĂ©nĂ©ralisable. L’Ă©quipe de Cambridge a ensuite utilisĂ© la spectroscopie par rĂ©sonance magnĂ©tique nuclĂ©aire (RMN) pour Ă©tudier cette sĂ©rie d’Ă©lectrodes.


La combinaison d’analyses par spectroscopie RMN et simulations sur ordinateur permet de caractĂ©riser le dĂ©sordre dans les carbones poreux des supercondensateurs et de relier ce paramètre aux performances des matĂ©riaux
© Céline Merlet

Ces analyses, interprĂ©tĂ©es grâce Ă  des travaux de modĂ©lisation rĂ©alisĂ©s au CIRIMAT, ont permis de quantifier le niveau de dĂ©sordre de chaque Ă©lectrode. Les rĂ©sultats montrent que le caractère dĂ©sordonnĂ© des matĂ©riaux – longtemps considĂ©rĂ© comme un dĂ©faut – est en fait bĂ©nĂ©fique. L’Ă©quipe compte poursuivre ces recherches pour comprendre pourquoi le dĂ©sordre, fixĂ© au moment de la synthèse des Ă©lectrodes de carbone, est si important pour le stockage des ions dans les nanopores.

Ces résultats, publiés dans la revue Science, devraient permettre de booster la capacité de stockage des supercondensateurs pour généraliser leur utilisation dans le transport urbain.

La recherche a été soutenue en partie par le Cambridge Trusts, le European Research Council (ERC) et le UK Research and Innovation (UKRI).

RĂ©dacteur: AVR

Référence:
Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons
Xinyu Liu, Dongxun Lyu, CĂ©line Merlet, Matthew J. A. Leesmith Xiao Hua, Zhen Xu, Clare P. Grey & Alexander C. Forse.
Science 2024



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