Imaginez un smartphone dont la coque ne sert pas seulement à le protéger, mais fait également office de réservoir d’électricité, ou une voiture électrique dont les portes et le plancher stockent de l’énergie pour la propulser. Ces technologies pourraient un jour devenir réalité grâce aux travaux récents d’ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego.
Le concept de supercondensateur structurel
Les chercheurs ont développé ce qu’on appelle un supercondensateur structurel : un dispositif qui offre à la fois un soutien structurel et des capacités de stockage d’énergie. Un tel dispositif pourrait ajouter plus de puissance aux gadgets électroniques et aux véhicules sans ajouter de poids supplémentaire, leur permettant de durer plus longtemps avec une seule charge.
Bien que le concept de supercondensateurs structurels ne soit pas entièrement nouveau, il a toujours été difficile de créer un dispositif unique qui excelle à la fois dans le support de charges mécaniques et le stockage efficace de l’énergie électrique.
Les supercondensateurs traditionnels sont excellents pour le stockage d’énergie, mais manquent de résistance mécanique pour servir de composants structurels. À l’inverse, les matériaux structurels peuvent fournir un soutien, mais sont moins performants en matière de stockage d’énergie.
Une avancée dans la recherche
Une équipe dirigée par Tse Nga (Tina) Ng, en collaboration avec Xinyu Zhang, tous deux professeurs de génie électrique et informatique à l’UC San Diego, a réussi à combiner le meilleur des deux mondes dans un nouveau supercondensateur structurel, rapporté récemment dans Science Advances.
En guise de preuve de concept, les chercheurs ont utilisé leur supercondensateur structurel pour construire un bateau solaire miniature.
Le supercondensateur a été moulé pour former la coque du bateau, puis équipé d’un petit moteur et d’un circuit. Le circuit a été connecté à une cellule solaire. Lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, la cellule solaire charge le supercondensateur, qui à son tour alimente le moteur du bateau. Lors des tests, le bateau a pu naviguer sur l’eau, démontrant l’efficacité de cette solution innovante de stockage d’énergie.
Les matériaux et la conception
Le dispositif se compose des composants standard d’un supercondensateur : une paire de surfaces d’électrodes séparées par un électrolyte, qui facilite le flux d’ions entre les électrodes. Ce qui distingue ce dispositif, c’est la combinaison de matériaux choisis pour renforcer à la fois la résistance mécanique et la performance électrochimique.
Les électrodes sont fabriquées à partir de fibres de carbone tissées en un tissu. Ce tissu de fibres de carbone offre une résistance structurelle importante. De plus, il est recouvert d’un mélange spécial composé d’un polymère conducteur et d’oxyde de graphène réduit, qui améliore considérablement le flux d’ions et la capacité de stockage d’énergie.
L’électrolyte solide, autre composant essentiel, est un mélange de résine époxy et d’un polymère conducteur appelé oxyde de polyéthylène. La résine époxy offre un soutien structurel, tandis que l’incorporation d’oxyde de polyéthylène favorise la mobilité des ions en créant un réseau de pores dans l’électrolyte.
Une caractéristique clé de la conception est que la concentration d’oxyde de polyéthylène varie dans l’électrolyte, créant ce qu’on appelle des gradients de concentration. Les zones adjacentes aux électrodes présentent une concentration plus élevée d’oxyde de polyéthylène. Cette configuration aide les ions à circuler plus rapidement et plus librement à l’interface électrode-électrolyte, améliorant les performances électrochimiques.
En synthèse
Alors que cette recherche représente une avancée significative vers le stockage d’énergie structurel, les chercheurs soulignent qu’il reste encore beaucoup de travail à accomplir. Les supercondensateurs en général ont une densité de puissance élevée, ce qui signifie qu’ils peuvent délivrer de grandes quantités d’énergie rapidement, mais ils ont généralement une densité d’énergie plus faible par rapport aux batteries.
«Nos travaux futurs se concentreront sur l’augmentation de la densité d’énergie de notre supercondensateur et sur la rendre comparable à certaines batteries», a déclaré Lulu Yao, auteure principale de l’étude et étudiante en doctorat en science des matériaux et en génie dans le laboratoire de Ng. « L’objectif ultime serait d’atteindre à la fois une densité d’énergie et de puissance plus élevées. »
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce qu’un supercondensateur structurel ?
Un supercondensateur structurel est un dispositif qui offre à la fois un soutien structurel et des capacités de stockage d’énergie. Il pourrait ajouter plus de puissance aux gadgets électroniques et aux véhicules sans ajouter de poids supplémentaire.
2. Quelle est la différence entre les supercondensateurs traditionnels et structurels ?
Les supercondensateurs traditionnels sont excellents pour le stockage d’énergie, mais manquent de résistance mécanique pour servir de composants structurels. Les supercondensateurs structurels combinent les deux caractéristiques, offrant à la fois un soutien mécanique et des capacités de stockage d’énergie.
3. Comment les chercheurs démontrent le concept de supercondensateur structurel ?
Les chercheurs ont construit un bateau solaire miniature en utilisant leur supercondensateur structurel pour former la coque du bateau. Lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, la cellule solaire charge le supercondensateur, qui alimente ensuite le moteur du bateau.
4. Quels matériaux sont utilisés pour créer le supercondensateur structurel ?
Les électrodes sont fabriquées à partir de fibres de carbone tissées en un tissu, recouvert d’un mélange spécial de polymère conducteur et d’oxyde de graphène réduit. L’électrolyte solide est un mélange de résine époxy et d’un polymère conducteur appelé oxyde de polyéthylène.
5. Quels sont les défis et les objectifs futurs de cette recherche ?
Les défis incluent l’augmentation de la densité d’énergie des supercondensateurs structurels pour la rendre comparable à celle des batteries. L’objectif ultime est d’atteindre à la fois une densité d’énergie et de puissance plus élevées.
Légende de l’image : Ce bateau miniature est construit à partir d’un supercondensateur structurel, un matériau qui offre à la fois un soutien structurel et des capacités de stockage d’énergie. Crédit : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Source : Science Advances, « Structural pseudocapacitors with reinforced interfaces to increase multifunctional efficiency. » Co-auteurs : Kai Zheng, Nandu Koripally, Xinyu Zhang, UC San Diego ; Naresh Eedugurala et Jason D. Azoulay, University of Southern Mississippi. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0069
