L’innovation technologique dans le domaine des matériaux électroconducteurs se place au cœur des recherches actuelles, répondant aux besoins croissants en solutions énergétiques durables. Les scientifiques cherchent constamment à améliorer les capacités de stockage et de transfert de l’énergie, une ambition qui mène à des découvertes fascinantes dans le domaine des polymères conducteurs
Les plastiques, depuis des décennies, ont été utilisés dans les industries électroniques pour leurs propriétés isolantes. Cependant, une découverte inattendue dans les années 1970 a révélé que certains plastiques pouvaient également conduire l’électricité. Parmi eux, le PEDOT, ou poly(3,4-éthylènedioxythiophène), s’est imposé comme un matériau clé. Flexible et transparent, il protège les surfaces des films photographiques et des composants électroniques contre l’électricité statique. On le retrouve dans les écrans tactiles, les cellules solaires organiques et les dispositifs électrochromiques comme les vitres intelligentes qui changent de transparence à la demande.
Les limites du PEDOT traditionnel
Malgré ses nombreuses applications, le PEDOT commercial présente des limites en termes de conductivité électrique et de surface disponible pour le stockage énergétique. Ces déficiences ont restreint le potentiel de PEDOT dans le domaine du stockage énergétique. Les chercheurs de UCLA ont développé une méthode pour surmonter ces obstacles en contrôlant la morphologie du PEDOT, permettant ainsi la croissance de nanofibres avec des propriétés améliorées.
La nouvelle méthode mise au point par les chimistes de UCLA utilise une technique de croissance en phase vapeur pour produire des nanofibres PEDOT verticales. Ces structures, comparables à de l’herbe dense, élargissent considérablement la surface de stockage du matériau. En déposant une goutte de liquide contenant des nanoflakes d’oxyde de graphène et du chlorure ferrique sur une feuille de graphite, puis en exposant cet échantillon aux vapeurs des molécules précurseurs, le PEDOT se forme non pas en film plat mais en une structure épaisse et velue, augmentant ainsi la surface disponible pour le stockage d’énergie.
«Le matériau à croissance verticale unique nous permet de créer des électrodes PEDOT qui stockent bien plus d’énergie que les PEDOT traditionnels,» a affirmé Maher El-Kady, chercheur en matériaux à UCLA et auteur principal de l’étude. Il a ajouté, «La charge électrique se stocke sur la surface du matériau, et les films PEDOT traditionnels n’ont pas assez de surface pour retenir une grande quantité de charge. Nous avons augmenté la surface du PEDOT, donc sa capacité, suffisamment pour construire un supercondensateur.»
Les supercondensateurs vs. batteries
Contrairement aux batteries, qui stockent l’énergie via des réactions chimiques lentes, les supercondensateurs accumulent la charge électrique sur leur surface, permettant une charge et une décharge très rapides. Ils sont donc idéaux pour des applications nécessitant des décharges de puissance rapide, comme le freinage régénératif dans les véhicules hybrides ou électriques et les flashes de caméra. Le défi réside dans la création de matériaux avec une surface suffisante pour contenir de grandes quantités d’énergie.
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Les résultats obtenus avec le nouveau matériau PEDOT sont impressionnants. Sa conductivité est 100 fois supérieure à celle des produits commerciaux PEDOT, et sa surface électroactive est quatre fois plus grande. Cette augmentation de surface permet un stockage d’énergie beaucoup plus important, avec une capacité de charge atteignant plus de 4600 milliFarads par centimètre carré, soit près de dix fois plus que le PEDOT conventionnel. De plus, la durabilité de ce matériau est remarquable, supportant plus de 70 000 cycles de charge, ce qui le rend très prometteur pour des applications dans l’industrie des énergies renouvelables.
«Les performances exceptionnelles et la durabilité de nos électrodes montrent un grand potentiel pour l’utilisation du PEDOT à base de graphène dans des supercondensateurs pouvant aider notre société à répondre à ses besoins énergétiques,» a conclu Richard Kaner, professeur distingué de chimie et de science des matériaux à UCLA, dont l’équipe de recherche a été à l’avant-garde de la recherche sur les polymères conducteurs depuis plus de 37 ans.
Légende illustration : Maher El-Kady Illustration d’un film de PEDOT sur une feuille de graphène qui peut être utilisé dans les supercondensateurs pour stocker de grandes quantités d’énergie.
Article : « Direct Fabrication of 3D Electrodes Based on Graphene and Conducting Polymers for Supercapacitor Applications » – DOI : 10.1002/adfm.202405569
Source : UCLA
