Nouveau record de stockage d’énergie dans un supercondensateur

Visualisez un futur où le stockage et la gestion de l’énergie se font avec une efficacité inégalée. Cette vision s’approche un peu plus du réel grâce à une étude menée par des chercheurs renommés.

Dans un article publié dans la revue Scientific Reports, le groupe de chercheurs a décrit comment ils ont réussi à stocker une quantité d’énergie jamais atteinte auparavant dans un supercondensateur.

Qui sont les acteurs derrière cette réalisation ?

Le professeur émérite Luis Echegoyen, Ph.D., de l’Université du Texas à El Paso, a dirigé cette étude aux côtés de Marta Plonska-Brzezinska, Ph.D., de l’Université Médicale de Bialystok en Pologne. Leur recherche a fait l’objet d’une large couverture dans la revue Scientific Reports, publiée par le prestigieux éditeur de recherche Nature Portfolios.

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie électrique, similaires aux batteries mais avec des caractéristiques distinctives. Là où les batteries emmagasinent et restituent l’énergie grâce à des transformations chimiques, les supercondensateurs utilisent des surfaces chargées de manière opposée. Ces dispositifs sont largement utilisés dans les machines qui nécessitent une décharge d’énergie rapide, telles que les voitures électriques, les bus, les trains et les grues.

Les implications de cette étude

« C’est une étape importante qui nous rapproche de la réalisation de supercondensateurs avec une grande densité énergétique. Cela pourrait changer radicalement la manière dont nous stockons et gérons l’énergie« , a déclaré Echegoyen, membre éminent du Département de Chimie et de Biochimie de l’UTEP.

Les supercondensateurs offrent un potentiel significatif en raison de leur capacité à se charger beaucoup plus rapidement que les batteries – en quelques secondes voire en fractions de seconde. Cependant, les supercondensateurs actuels ne peuvent stocker qu’une faible quantité d’énergie, ce qui limite leurs applications potentielles. S’ils pouvaient être conçus pour stocker plus d’énergie, ils seraient physiquement plus légers et se chargeraient beaucoup plus rapidement que les batteries, ce qui aurait un impact commercial significatif.

Une structure innovante pour une performance accrue

Le nouveau supercondensateur conçu par Echegoyen et Plonska-Brzezinska a atteint un niveau de stockage inédit, ou capacitance, en utilisant un matériau doté d’une structure centrale en « nano-oignon » de carbone. Cette structure crée de multiples pores qui permettent le stockage d’un volume d’énergie plus important.

Grâce à cette astucieuse combinaison, les scientifiques sont parvenus à organiser de façon optimale les pores à l’échelle micro et nanométrique. Résultat : une capacité de stockage d’énergie record de 638 F/g, soit l’une des plus élevées jamais obtenue avec ce type de matériau.

638 F/g signifie que ce supercondensateur peut stocker 638 Farads par gramme de matériau actif. Le Farad est l’unité de capacité électrique dans le système international. Plus cette valeur est élevée, plus la densité d’énergie stockée est importante.

Cette valeur de 638 F/g est exceptionnellement haute comparée aux supercondensateurs classiques qui ont généralement une capacité de l’ordre de quelques dizaines de Farads par gramme.

Pour y parvenir, les chercheurs ont tout d’abord synthétisé un composé appelé 2CNPP, puis l’ont associé à des « nano-oignons » de carbone préalablement fonctionnalisés. L’ensemble a ensuite été soumis à une pyrolyse à haute température (700°C).

Cette technique a permis d’obtenir un matériau alliant à la fois une surface spécifique colossale et une excellente conductivité électrique grâce à sa structure graphitique. Autant d’atouts qui en font un candidat idéal pour le stockage électrochimique d’énergie.

Couplée à une grande stabilité dans le temps, cette prouesse technologique ouvre la voie au développement de dispositifs électrochimiques et électrocatalytiques de nouvelle génération. Les applications potentielles sont nombreuses, qu’il s’agisse de véhicules électriques ou d’appareils nomades ultra-compacts.

« Je suis très heureux de voir cette recherche innovante recevoir l’attention qu’elle mérite », a déclaré Robert Kirken, Ph.D., doyen de la Faculté des Sciences de l’UTEP. « C’est une preuve supplémentaire de l’excellence académique et de la recherche menée par le corps professoral ici à l’UTEP. »

En synthèse

Les travaux menés par le professeur Echegoyen et la docteure Plonska-Brzezinska marquent un tournant majeur dans le domaine du stockage d’énergie. L’amélioration significative de la capacité de stockage des supercondensateurs qu’ils ont mis au point promet de transformer notre façon de gérer l’énergie, en ouvrant la voie à des applications nouvelles et passionnantes.

Pour une meilleure compréhension

Le supercondensateur est un dispositif qui stocke l’énergie électrique en utilisant des surfaces chargées de manière opposée. Les supercondensateurs se distinguent des batteries par leur capacité à charger et décharger l’énergie très rapidement. Cependant, leur capacité de stockage d’énergie a jusqu’à présent été limitée. L’étude menée par le professeur Echegoyen et la docteure Plonska-Brzezinska a réussi à augmenter significativement cette capacité, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’avenir de l’énergie.

Article : « Three-dimensional organization of pyrrolo[3,2-b]pyrrole-based triazine framework using nanostructural spherical carbon: enhancing electrochemical performance of materials for supercapacitors » – DOI 10.1038/s41598-023-37708-7