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Posté par Redbran le Mercredi 12/07/2017 à 00:00
Supercondensateurs redox: un matériau très prometteur à l'étude
Des chercheurs du RS2E se sont joints à une équipe internationale pour tester les limites d'un carbure métallique. Le but? Optimiser les performances des supercondensateurs

Au sein du RS2E, la thématique du stockage capacitif vise à concevoir de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et architectures d'électrodes pour améliorer la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des supercondensateurs. C'est dans ce cadre que des chercheurs du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...), Zifeng Lin (doctorant), Pierre-Louis Taberna et Patrice Simon (laboratoire CIRIMAT, CNRS-Université de Toulouse) se sont joints à une équipe internationale des universités de Drexel (USA) et Bar-Ilan (Israël) pour travailler sur un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) prometteur, le Ti3C2 de la famille des MXene. Des électrodes micro-structurées de ce carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc...) métallique ont montré des performances électrochimiques très intéressantes, laissant entrevoir des possibilités nouvelles pour le développement de supercondensateurs plus performants. Les travaux du groupe de scientifiques sont publiés cette semaine dans la prestigieuse revue scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) Nature Energy.

Batteries, supercondensateurs, pseudocondensateurs...Quelles différences ?

Dans la famille des technologies de stockage et conversion électrochimique de l'énergie, les supercondensateurs peuvent paraitre méconnus face aux batteries, plus couramment utilisées dans notre vie (La vie est le nom donné :) quotidienne. Les batteries possèdent une grande densité d'énergie, qui correspond à la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'énergie stockée pour un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) ou un poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé...) donné, ce qui permet par exemple d'alimenter des appareils électroniques portables comme les smartphones, pendant plusieurs jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...). Les supercondensateurs, en revanche, stockent moins d'énergie que les batteries mais peuvent se décharger ou se recharger plus rapidement. Pour augmenter leur densité d'énergie, une alternative au carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) poreux classiquement utilisé dans les supercondensateurs consiste à utiliser des matériaux dits pseudocapacitifs. Ces derniers stockent l'énergie grâce à des réactions d'oxydation/réduction rapides limitées à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...).

Le carbure métallique 2D MXene Ti3C2Tx

La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique,...) dans le domaine du stockage capacitif s'attache donc notamment à élaborer des nouveaux matériaux possédant des capacités exaltées. L'équipe du CIRIMAT s'est intéressée à un type de matériau particulier, le Ti3C2, un carbure de métallique de la famille des MXene. La structure 2-Dimensions (2D) de ce matériau le rend particulièrement intéressant pour le stockage capacitif puisqu'il offre une surface accessible élevée aux ions de l'électrolyte. La difficulté est de maintenir l'accès à cette surface de l'électrolyte lors du fonctionnement du système: c'est ce que les chercheurs ont réalisé, en travaillant sur l'architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) des électrodes de MXène.


Figure 1: a) structure du MXene Ti3C2 en feuillets montrant: i) les molécules d'eau intercalées entres les feuillets délaminés de Ti3C2 ii) le cœur conducteur de carbure. Les réactions d'oxydation-réduction ont lieu sur les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) (M=Ti) situés en surface b) Electrode en architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) en "feuillets" empilés pré-intercalés avec des ions de l'électrolyte; c) Electrode macroporeuse obtenue à partir de microsphères de polymères qui sont ensuite dissoutes. Dans b) et c), les flèches noires correspondent au trajet des ions.

Au-delà du matériau: l'importance de l'architecture de l'électrode

Pour améliorer les performances du matériau, les chercheurs ont utilisé différentes architectures d'électrodes. L'une d'elles a été réalisée en pré-intercalant les ions d'un électrolyte entre les feuillets de Ti3C2 par simple échange ionique. Des films de 1 à 3 micromètres d'épaisseur pour les plus fins, et jusqu'à 40 micromètres pour les plus épais, ont été préparés. Les résultats obtenus sont extrêmement prometteurs, avec une capacité volumique pouvant aller jusqu'à 1500F cm-3, un record jusque-là détenu par un autre matériau, le RuO2. La capacité surface est quant à elle supérieure à 2 F par cm². Une autre architecture possédant des pores micrométriques sphériques de 1 à 2 micromètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est...), a permis quant à elle d'atteindre des vitesses de décharge supérieures à celles des supercondensateurs à base de carbone.

Vers des supercondensateurs plus performants

Les mécanismes pseudocapacitifs propres aux supercondensateurs redox rendent possible de stocker plus d'énergie que les supercondensateurs standards, avec des cycles de charge/décharge plus rapides que les technologies de batteries actuelles. La contrainte au développement de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) résidait principalement dans le peu de matériaux capacitifs disponibles, capables de combiner grande capacité et forte puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Les résultats obtenus avec le MXene Ti3C2 permettent d'entrevoir une avancée significative sur ce terrain: la possibilité d'utiliser des matériaux pseudocapacitifs combinant puissance et énergie. Le défi à relever consiste maintenant à dupliquer ces performances dans des électrolytes non aqueux offrant des tensions de cellules plus élevées que les électrolytes aqueux.

Références publication:
Ultrahigh-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides
M.R. Lukatskaya, S. Kota, Z. Lin, M-Q. Zhao, N. Shpigel, M.D. Levi, J. Halim, P-L. Taberna, M.W. Barsoum, P. Simon, Y. Gogosti
Nature Energy, 10/07/2017, DOI: 10.1038/nenergy.2017.105

En savoir plus sur les travaux du RS2E sur le stockage capacitif: http://www.energie-rs2e.com/fr/page/stockage-capacitif

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Source: CNRS-INC