Du graphène ponté pour améliorer les performances des super condensateurs

Publié par Redbran le 20/08/2019 à 14:00
Source: CEA/IRIG
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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 (SC) permet de stocker l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) 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 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...) d'électrode doit présenter une surface développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) 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...) des espèces électrolytiques doivent coïncider. Le graphène peut-il présenter ces deux prérequis ?

Des chercheurs du laboratoire Système Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie et la Santé 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...) et de sa flexibilité mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...). L'oxyde 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...) 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...) pilier formant ainsi des galeries de graphène ponté (Figure, droite). Ils ont mis en évidence que le nombre 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...) 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...): 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 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...) de leur densité contribuera à d'importantes perspectives de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) carbonés pour la mise au point 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 transport and storage capacity.
ACS Nano, 2019
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