Du graphène ponté pour améliorer les performances des super condensateurs
Publié par Redbran le 20/08/2019 à 14:00
Source: CEA/IRIG
Afin d'améliorer les performances des super condensateurs, des chercheurs de l'lnstitut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (lRlG) ont eu l'idée d'espacer les feuillets de graphène en utilisant une molécule pilier formant ainsi des galeries de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) ponté.


Schéma de principe entre graphène RGO ré agrégé (à gauche) et graphène ponté expansé (à droite).

Un super condensateur (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle...) (SC) permet de stocker 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...) au sein d'une cellule constituée de deux électrodes poreuses imprégnées d'électrolyte. Ces électrodes sont séparées par une membrane isolante et perméable aux espèces électrolytiques, qui s'ad/désorbent à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) des électrodes en fonction du potentiel appliqué aux bornes du dispositif. Pour atteindre des performances optimales, le 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...) d'électrode doit présenter une surface développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) importante. D'autre part, la taille des pores, au sein desquels les ions sont adsorbés, ainsi que le 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 aussi la...) des espèces électrolytiques doivent coïncider. Le graphène peut-il présenter ces deux prérequis ?

Des chercheurs du laboratoire Système Moléculaires et nanoMatériaux pour l'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.) et la Santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) de l'Irig utilisent le graphène en raison de sa grande surface spécifique, de sa conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.) et de sa flexibilité mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit...). L'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de graphène réduit (RGO), un matériau proche du graphène et testé pour les SC, offre toutefois des capacités gravimétriques limitées. En effet les feuillets de graphène ont tendance à se ré-agréger diminuant ainsi la surface disponible pour l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus...) des ions (Figure, gauche). Ces chercheurs ont eu l'idée d'espacer les feuillets de graphène en utilisant une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) pilier (Un pilier est un organe architectural sur lequel se concentrent de façon ponctuelle les charges de la superstructure (par exemple les charges d'une charpente ou celles des maçonneries des niveaux supérieurs). Contrairement à une...) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque...) ainsi des galeries de graphène ponté (Figure, droite). Ils ont mis en évidence que le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de piliers dans les galeries avait une influence significative sur 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...) d'espèces électrolytiques adsorbées et sur leur cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des...): un remplissage médian favorise l'accès des ions aux galeries, augmente la surface disponible à l'adsorption et améliore le transport ionique au sein de cette porosité 2D. La densité de ces échantillons a ensuite été modifiée permettant d'atteindre des capacités volumiques plus élevées.

L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) des résultats obtenus apporte la preuve que l'utilisation de pilier greffés de façon covalente, associée au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de leur densité contribuera à d'importantes perspectives 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 métonymique, la recherche...) sur les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) carbonés pour la mise au point (Graphie) de SC de haute performance.

Le principe de fonctionnement d'un super condensateur (SC) est basé sur l'adsorption d'ions à la surface d'électrodes chargées, ainsi que sur les cinétiques de migration de ces ions au sein de la cellule. Les paramètres qui décrivent les performances des SC sont les densités d'énergie et de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). La densité d'énergie est directement proportionnelle à la surface développée de l'électrode et ainsi à la densité d'espèces électrolytiques adsorbées à sa surface.

Références piublication:
Banda H, Périé S, Daffos B, Taberna PL, Dubois L, Crosnier O, Simon P, Lee D, De Paëpe G and Duclairoir F
Sparsely pillared graphene materials for high-performance supercapacitors: Improving ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui...) transport and storage capacity.
ACS Nano, 2019
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