Optimiser le stockage de l'électricité dans les supercondensateurs

Des chercheurs du Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (CNRS/Université Paul Sabatier), membres du Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie, en collaboration avec l'Université de Cambridge (Royaume Uni), ont étudié le transport des ions d'un électrolyte au sein d'une électrode de carbone nanoporeux. Ils ont montré qu'en polarisant les électrodes, le stockage des charges se fait de façon différente suivant la polarité de l'électrode, en révélant la structure et l'environnement des ions d'un l'électrolyte confiné dans des pores de dimensions nanométriques.

Ces résultats permettent de lever, à l'échelle moléculaire, une partie du voile entourant les mécanismes d'adsorption des ions dans les carbones poreux. L'enjeu est de taille puisque une application directe de ces résultats concerne les supercondensateurs. Ces résultats sont parus dans la revue Nature Materials.

Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage électrochimiques de l'énergie qui permettent de délivrer de forts courants sur des temps courts, de l'ordre d'une dizaine de secondes. Complémentaires aux batteries, ils sont utilisés pour fournir des pics de puissance ou encore pour récupérer l'énergie sur des durées de plusieurs secondes. On les retrouve dans des applications allant de l'électronique de puissance (tampon de puissance, petits outillages ...) à l'aéronautique (ouverture des portes de l'A380), les transports (récupération de l'énergie de freinage, stop/start). Lorsqu'ils sont polarisés, les supercondensateurs stockent les charges de façon électrostatique en adsorbant des ions d'un électrolyte à la surface de carbones poreux de surface très développée (pores de l'ordre du nanomètre).

La compréhension des mécanismes de transport et d'adsorption des ions dans ces nanopores est donc fondamentale si l'on cherche à mettre au point des matériaux – et donc des supercondensateurs – plus performants.

Dans cette étude, des électrodes de supercondensateurs ont été polarisées dans un électrolyte à base d'acétonitrile contenant des ions (C2H5)4P+ et BF4-, et étudiés dans un premier temps par RMN in-situ (technique d'analyse proche de l'IRM). L'étude des signaux 31P et 19F a permis de montrer que lors de la polarisation positive, les anions BF4- entraient dans les pores du carbone alors que les cations (C2H5)4P+ étaient éjectés de l'électrode. Pour une polarisation négative, ce sont cette fois les cations (C2H5)4P+ qui entrent dans les pores du carbone tandis que les anions ne sont pas éjectés et restent également dans les pores. Des mesures par microbalance à quartz électrochimique (EQCM) ont confirmé ces résultats, et ont également montré que durant leur adsorption, les cations perdent une partie de leur sphère de solvatation.

Ces résultats permettent de mieux comprendre la structuration de l'électrolyte au sein des électrodes nanoporeuses de carbone et offrent de nouvelles pistes pour optimiser le stockage des charges dans les électrodes de supercondensateurs.

Pour plus d'information voir:
John M. Griffin, Alexander C. Forse, Wan-Yu Tsai, Pierre-Louis Taberna, Patrice Simon et Clare P. Grey
In situ NMR and electrochemical quartz crystal microbalance techniques reveal the structure of the electrical double layer in supercapacitors - Nature materials 22 juin 2015 doi:10.1038/nmat4318