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Posté par Michel le Mardi 19/02/2013 à 00:00
Explorer la structure d'un supercondensateur... et l'améliorer !
En freinant, le bus le recharge et à l'arrêt, il peut fournir l'électricité permettant d'ouvrir les portes du bus: voilà une des utilisations du supercondensateur ! Bien qu'utilisé dans la vie courante, cet appareil de stockage de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) a une organisation (Une organisation est) et un fonctionnement moléculaires qui n'avaient jamais été observés jusqu'à aujourd'hui. Des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) d'Orléans ont exploré pour la première fois les réarrangements moléculaires à l'?uvre dans des supercondensateurs commerciaux en fonctionnement. Le procédé imaginé par les scientifiques offre une nouvelle clé pour optimiser et améliorer les supercondensateurs du futur. Ces résultats ont été publiés le 17 février 2013 sur le site de la revue Nature Materials.


Schéma d'un supercondensateur et de son fonctionnement de l'échelle macroscopique au niveau moléculaire.
© Cehmti-Michael Deschamps

Les supercondensateurs sont des appareils de stockage de l'électricité différents des batteries. Contrairement à ces dernières, leur charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) est beaucoup plus rapide (le plus souvent en quelques secondes) et ils ne subissent pas d'usures aussi rapides liées aux charges/décharges. En revanche, à taille égale et bien qu'offrant une plus grande puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), ils ne peuvent pas stocker autant d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité...) que les batteries (les supercondensateurs à base de 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.) fournissent une 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...) 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.) d'environ 5 Wh/Kg et les batteries lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est composée de lithium...) de l'ordre de 100 Wh/kg). On retrouve les supercondensateurs dans la récupération de l'énergie de freinage de nombreux véhicules (voitures, bus, trains), ou encore pour assurer l'ouverture d'urgence de l'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air,...) A380 (L'Airbus A380 est un avion civil quadriréacteur long-courrier construit par Airbus en Allemagne, Espagne, France et Royaume-Uni et assemblé à Toulouse.).

Un supercondensateur stocke l'électricité grâce à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre des électrodes en carbone nanoporeux et des ions, porteurs des charges positives et négatives, qui se déplacent dans un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) appelé électrolyte (voir schéma). Lors de la charge, les anions (ions chargés négativement) sont remplacés par des cations (ions chargés positivement) dans l'électrode négative et inversement. Plus cet échange est important et plus la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) de carbone disponible est élevée, plus la capacité du supercondensateur grandit.

Grâce à la spectroscopie par Résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.) (RMN), les chercheurs sont allés plus loin dans cette description et chose unique, ils ont pu quantifier dans quelle proportion se font les échanges de charges sur deux supercondensateurs utilisant des carbones commerciaux. En comparant deux carbones nanoporeux, ils ont pu ainsi mettre en avant que le supercondensateur comportant le carbone avec une structure la plus désordonnée offrait une meilleure capacité et une meilleure tolérance aux tensions les plus élevées. Ceci serait dû à une meilleure répartition des charges électroniques au contact des molécules de l'électrolyte.

Ces résultats sont le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire...) de la collaboration de deux équipes orléanaises: l'une au CEMHTI (1) du CNRS, spécialiste de la RMN et membre 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...) français sur le stockage électrochimique de l'énergie (http://www.energie-rs2e.com), l'autre au Centre de 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...) sur la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) divisée (CNRS/Université d'Orléans), qui est centrée sur l'étude de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) carbonés pour les supercondensateurs. Cette complémentarité permet aujourd'hui la mise au point (Graphie) d'une technique qui offre tant aux laboratoires de recherche qu'aux entreprises un véritable outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) pour l'optimisation des matériaux du supercondensateur.

Note:

(1) laboratoire "Conditions extrêmes et matériaux: haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) et irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements...)" du CNRS.


Référence:

Exploring electrolyte organization in supercapacitor electrodes with solid-state NMR, M. Deschamps, E. Gilbert, P. Azais, E. Raymundo-Pinero, M.R. Ammar, P. Simon, D. Massiot, F. Béguin, Nature Materials. En ligne le 17 février (DOI: 10.1038/NMAT3567).


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Source: CNRS