Les montres connectées, les téléphones et même certains drones dépendent de systèmes de stockage d’énergie légers et rechargeables. Lorsque ces appareils arrivent en fin de vie, beaucoup finissent en déchets électroniques. Aujourd’hui, des chercheurs publiant dans ACS Energy Letters ont mis au point un supercondensateur compact qui peut être rapidement démonté en composants réutilisables. Ils ont utilisé ces dispositifs pour alimenter l’hélice d’un planeur, puis ont démonté un supercondensateur et réutilisé successivement certaines pièces dans deux nouveaux dispositifs, avec des performances équivalentes à celles de l’original.
« La durabilité et la performance n’ont pas à être des objectifs concurrents. » — Nandu Koripally
De nombreux appareils rechargeables utilisent la technologie lithium-ion et contiennent des électrolytes inflammables. De plus, ils sont difficiles à recycler car leurs composants ne se séparent pas facilement. C’est pourquoi Tse Nga Ng, Nandu Koripally et leurs collègues ont cherché une approche plus durable pour le stockage d’énergie compact. Leurs travaux les ont conduits à développer un supercondensateur utilisant des ions zinc dans un électrolyte aqueux non inflammable, des adhésifs dissolubles et des matériaux électriquement conducteurs réutilisables.
« Nous nous sommes appuyés sur les travaux antérieurs de notre laboratoire, en combinant une chimie alternative aux ions zinc à haute énergie et des supercondensateurs structurels pour créer une version recyclable qui permet des cellules de seconde vie et surpasse les dispositifs de pointe antérieurs. », explique Koripally, l’auteur principal de l’étude.
Pour le supercondensateur, les chercheurs ont créé une anode en zinc métal et feuille de cuivre, et une cathode en fibres de carbone activé. Entre les deux, ils ont placé un électrolyte solide composé d’une résine poreuse appliquée sur un film plastique et imprégnée d’une solution saline de chlorure de zinc(II). La résine formait des liaisons solides sous l’effet de la chaleur, mais se dissociait dans un liquide légèrement acide. Enfin, ils ont assemblé les couches par la chaleur pour former un dispositif mince avec un potentiel de 2 volts.
À titre de preuve de concept, les chercheurs ont intégré quatre supercondensateurs dans les ailes d’un planeur miniature. Lancé comme un avion en papier, celui-ci a parcouru 12 pieds (3,7 mètres) lorsque le moteur de l’hélice était alimenté par les supercondensateurs, contre 8 pieds (3,4 mètres) sans source d’alimentation externe.
Les chercheurs ont ensuite placé l’un des supercondensateurs dans une solution aqueuse légèrement acide pour le démonter. En 30 minutes, les couches se sont séparées. La cathode en fibres de carbone récupérée a été réutilisée deux fois de plus, à chaque fois avec de nouveaux électrolytes solides et de nouvelles anodes en zinc. De la fabrication initiale aux deux cycles de recyclage, les fibres de carbone ont effectué plus de 172 000 cycles de charge-décharge et conservé des performances électriques similaires tout au long de leur durée de vie.
Selon l’équipe, ces résultats démontrent une approche prometteuse pour un stockage d’énergie léger qui minimise les déchets électroniques.
« La durabilité et la performance n’ont pas à être des objectifs concurrents », déclare Koripally. « En considérant l’ensemble du cycle de vie des matériaux, nous pouvons combiner les exigences de conception en une seule solution pour fabriquer des dispositifs structurels de stockage d’énergie qui conservent des performances élevées et sont simples à réparer et à réutiliser. »
Article : Recyclable Zinc Ion Structural Supercapacitor Enabled by Porous Vitrimer – Journal : ACS Energy Letters – DOI : Lien vers l’étude
Les auteurs remercient pour leur soutien financier le National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, le Naval Innovation Science Engineering Center, la National Science Foundation et l’UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center.
Note : l’ACS ne mène pas de recherche, mais publie et fait connaître des études scientifiques évaluées par les pairs.
Source : ACS
