Les batteries lithium-ion sont présentes dans des millions d’appareils en Espagne. Nous les transportons dans nos téléphones portables, mais ils sont également chargés d’alimenter les voitures électriques, les ordinateurs portables, les aspirateurs sans fil, les outils de bricolage sans fil et même le robot Curiosity que la NASA a sur Mars. Ces dernières années, sa capacité et sa durabilité ont été améliorées, mais elle reste limitée et dépend de l’approvisionnement en lithium, dont le déficit peut déclencher à tout moment une crise mondiale. C’est pourquoi il y a déjà ceux qui travaillent des technologies qui pourraient remplacer ou élargir leurs possibilités, comme les supercondensateursqui atteignent déjà des produits de consommation comme le vélo électrique révolutionnaire qui se recharge et vous aide à pédaler sans vous fatiguer.
Semblables aux batteries traditionnelles, les supercondensateurs sont également capables de stocker de l’énergie. Ce sont des systèmes qui Ils permettent de stocker et de libérer l’énergie très rapidement, et les matériaux qui les composent sont courants (aluminium, carbone, cellulose, polymère…), ce qui implique de renoncer au lithium et autres composants difficiles à recycler. La dernière avancée majeure vient d’une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, qui a développé un supercondensateur structurel, capable de fournir à la fois un support structurel et une capacité de stockage d’énergie.
Cela se traduit par exemple par la possibilité de fabriquer des coques pour téléphones portables qui, en plus de les protéger contre les chocs ou les chutes, peuvent considérablement prolonger leur autonomie, ou encore pièces de carrosserie de voiture électrique qui éliminent le besoin d’installer une batterie lourde, hautement inflammable, dans la zone inférieure. C’est ainsi qu’ils l’expliquent dans un article publié dans la revue spécialisée Science Advancesoù ils détaillent les possibilités qu’offre leur invention lorsqu’il s’agit d’augmenter l’autonomie des appareils électroniques et des véhicules sans ajouter de poids.
Comment est-ce fait
La L’industrie aéronautique travaille depuis des années au développement de supercapacités structurelles, car le poids est l’une des principales préoccupations lors de la conception d’un avion et ce qui peut limiter considérablement ses capacités. Et bien que les supercondensateurs traditionnels soient excellents pour stocker l’énergie, ils n’ont pas la résistance mécanique nécessaire pour servir de composants structurels. Dans le cas contraire, il existe des matériaux qui offrent la possibilité de supporter des charges mécaniques, mais ne sont pas viables comme réserves d’énergie.
Pour surmonter ces obstacles, l’équipe dirigée par Tina Ng et Xinyu Zhang, professeurs de génie électrique et informatique à la Jacobs School of Engineering de l’Université de Californie, a changé de stratégie. Votre proposition passe par combiner différents matériaux pour améliorer à la fois la résistance mécanique et les performances électrochimiques de supercondensateurs.
Deux des chercheurs travaillant au laboratoire de matériaux de l’Université de Californie David Baillot / UC San Diego Omicrono
Généralement, ces appareils sont fabriqués en assemblant deux surfaces d’électrode séparées par un électrolyte, qui est chargé de faciliter le flux d’ions et, par conséquent, la réaction chimique qui permet le stockage de l’énergie. Dans ce cas, les scientifiques ont fabriqué les électrodes avec des fibres de carbone entrelacées dans un tissu. Cela offre déjà une résistance structurelle considérable, mais ils l’ont également recouvert d’un mélange de polymère conducteur et d’oxyde de graphène réduit. Les matériaux améliorent considérablement le flux d’ions et augmentent donc la capacité de stockage.
L’autre composant fondamental de ce nouveau supercondensateur est l’électrolyte solide, obtenu à partir de l’union entre une résine époxy et de l’oxyde de polyéthylènece qui confère au matériau un plus grand support structurel et favorise la mobilité des ions.
Prototype
Pour démontrer et tester les capacités de ce nouveau supercondensateur structurel, les ingénieurs l’ont utilisé pour construire la coque d’un simple bateau solaire. Une fois moulés à la forme du bateau, un petit moteur a été installé pour se propulser ainsi qu’un circuit relié à une cellule photovoltaïque.
Le bateau avait ce panneau solaire intégré pour charger les supercondensateurs, qui à leur tour propulsaient le moteur du bateau pour naviguer librement dans une piscine. Cette démonstration, à très petite échelle, « montre le potentiel des supercondensateurs structurels pour faciliter les économies de masse et augmenter la capacité de captage et de stockage d’énergie dans les futurs systèmes électriques« , soulignent les chercheurs dans l’article.
Le prototype de navire doté d’un supercondensateur structurel
Derrière ce succès, l’oxyde de polyéthylène joue un rôle crucial, chargé de créer un réseau de pores dans tout l’électrolyte. La concentration de ce matériau varie dans toute la coque, puisque Une densité plus élevée augmente les performances électrochimiques du supercondensateurmais cela génère davantage de pores, fragilisant l’ensemble.
« Ce la configuration du gradient est l’astuce pour obtenir des performances optimales dans l’électrolyte », explique Tina Ng dans un communiqué de presse. « Au lieu d’utiliser une seule configuration d’électrolyte, nous l’avons structuré de manière à ce que les bords en contact avec les électrodes aient des performances électriques plus élevées, tandis que le centre est mécaniquement plus résistant. »
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Cette avancée représente une avancée importante dans le domaine du stockage structurel d’énergie, mais il reste encore beaucoup de temps et d’efforts pour qu’elle devienne une réalité dans notre vie quotidienne. Le principal problème de ces appareils est que, même s’ils peuvent fournir rapidement de grandes quantités d’énergie, Elles se déchargent beaucoup plus vite que les batteries traditionnellesmême lorsqu’il n’est pas utilisé.
Lulu Yao, doctorante en science et ingénierie des matériaux et première auteure de l’étude, considère qu’il s’agit d’une première étape clé dans une enquête beaucoup plus ambitieuse. « Nos futurs travaux se concentreront sur augmenter la densité énergétique de notre supercondensateur jusqu’à ce qu’elle soit comparable à celle de certaines batteries. « L’objectif ultime serait d’atteindre une plus grande densité d’énergie et de puissance. »
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