Un nouveau matériau plastique pourrait résoudre le défi du stockage d’énergie

Ashley WennersHerron

Dans la course à l’électronique plus légère, plus sûre et plus efficace des véhicules électriques aux réseaux énergétiques transcontinentaux un composant détient littéralement le pouvoir : le condensateur polymère. Présent dans des applications telles que les défibrillateurs médicaux, les condensateurs polymères sont responsables de décharges rapides d’énergie et de la stabilisation de l’alimentation, plutôt que de stocker de grandes quantités d’énergie, contrairement à l’énergie plus lente et régulière d’une batterie. Cependant, les condensateurs polymères de pointe actuels ne peuvent pas survivre au-delà de 100°C, une température que l’air autour d’un moteur de voiture typique peut atteindre pendant les mois d’été et qu’un centre de données surchargé peut dépasser n’importe quel jour.

Aujourd’hui (18 février) dans Nature, une équipe dirigée par des chercheurs de Penn State a rapporté un nouveau matériau fabriqué à partir de plastiques bon marché et disponibles dans le commerce qui peut gérer quatre fois plus d’énergie qu’un condensateur typique à des températures allant jusqu’à 416°C.

« Les progrès des systèmes complets pour les véhicules électriques, les centres de données, l’exploration spatiale et plus encore peuvent tous être entravés par le condensateur polymère, » a déclaré le co-premier auteur Li Li, chercheur postdoctoral au Département de génie électrique de Penn State. « Les condensateurs polymères conventionnels doivent être maintenus au frais pour fonctionner. Notre approche résout ce problème tout en permettant quatre fois plus de puissance — ou la même quantité de puissance dans un dispositif quatre fois plus petit, »

Les condensateurs stockent moins d’énergie que les batteries, mais ils se chargent et se déchargent beaucoup plus rapidement. Un téléphone portable, par exemple, possède une batterie qui se charge à partir d’une source d’alimentation. L’énergie qu’il stocke provient de nombreuses réactions chimico-électriques internes sur une période de temps qui maintiennent le téléphone en fonctionnement. Les fonctions supplémentaires, comme le flash de l’appareil photo du téléphone, nécessitent une décharge d’énergie. Un condensateur est responsable de libérer ce surplus de puissance.

La plupart des condensateurs polymères tombent en panne à haute température car ils sont constitués de polymères à longues chaînes moléculaires ayant de faibles températures de transition vitreuse, ce qui signifie que les molécules passent d’un état caoutchouteux et malléable à un état cassant et fragile comme le verre à des températures relativement basses. Les polymères peuvent être trouvés dans des matériaux naturels, mais sont aussi synthétiquement produits pour faire des films minces et flexibles, des plastiques épais et rigides et tout ce qui se trouve entre les deux. Lorsque les polymères et d’autres matériaux se mélangent, leurs nanostructures — au niveau atomique — forment des interfaces à divers degrés. Ils peuvent laisser fuir des charges électriques, ont expliqué les chercheurs, et le problème s’aggrave à haute température.

« Normalement, on ne peut pas avoir à la fois une haute densité d’énergie et une haute tolérance à la température dans un polymère diélectrique — nous avons atteint les deux en mélangeant deux polymères haute température disponibles dans le commerce, » a expliqué le co-premier auteur Guanchun Rui, chercheur postdoctoral au Département de génie électrique et à l’Institut de recherche sur les matériaux (MRI) de Penn State.

Les chercheurs ont combiné le PEI, initialement produit par General Electric et souvent utilisé dans la production pharmaceutique, et le PBPDA, un polymère à haute résistance thermique et isolation électrique. Lorsqu’ils sont mélangés à des températures appropriées, les composants moléculaires des polymères se sont auto-assemblés en structures 3D, que les chercheurs ont utilisées pour fabriquer des films minces. La clé, selon Rui, a été de trouver le niveau correct d’immiscibilité des polymères, ou incapacité à se mélanger. Comme l’huile et l’eau, les matériaux immiscibles se séparent et s’organisent en structures 3D basées sur leurs propriétés individuelles.

« Vous pouvez mélanger différentes proportions pour voir comment les performances évoluent, un peu comme fonctionne un alliage métallique, » a indiqué Rui. « En contrôlant correctement l’immiscibilité, nous avons abouti — à notre connaissance — au premier alliage polymère possédant ces qualités très recherchées. »

Il est inhabituel que les propriétés d’un produit soient tellement meilleures que celles des composants individuels, selon l’auteur correspondant Qiming Zhang, titulaire de la chaire Harvey F. Brush et professeur de génie électrique.

« Si vous mettez deux matériaux similaires ensemble, vous vous attendez à un matériau similaire avec un niveau de performance similaire à celui des deux ingrédients, » a souligné Li, en précisant que de petits changements peuvent parfois conduire à des améliorations incrémentales des performances, comme d’autres dans le domaine l’avaient réalisé à des échelles beaucoup plus petites. Il a expliqué que la mesure de la quantité d’énergie qu’un polymère peut stocker et utiliser — appelée constante diélectrique ou K — pour chaque polymère individuel que les chercheurs ont utilisé était inférieure à quatre. « Ensemble, l’alliage polymère avait un K de 13,5, et il est resté constant de -148 F à 482 F. C’est remarquable. »

Le bond en avant provient de la nanostructure des polymères, ont découvert les chercheurs lorsqu’ils ont évalué microscopiquement le matériau et confirmé par modélisation computationnelle. Sans les restrictions rigides et cassantes imposées par les matériaux céramiques ou métalliques, les molécules de polymère peuvent s’adapter pour accueillir l’énergie sans se dégrader. Leurs interfaces auto-assemblées agissent comme des barrières qui bloquent les fuites de charges mobiles et renforcent la capacité du condensateur à transporter et décharger l’énergie.

« Les diélectriques sont bon marché et disponibles dans le commerce, le processus de fabrication de grandes quantités est simple, » a déclaré Li. « C’est une solution rentable à la crise énergétique et pourrait aider considérablement dans de multiples applications. Nous pouvons mettre quatre fois plus de puissance dans un dispositif, ou réduire un dispositif à un quart de sa taille tout en conservant la quantité d’énergie d’origine. Nous pouvons intégrer beaucoup de fonctionnalités dans quelque chose de très compact de manière facilement réalisable. »

Ensuite, les chercheurs travaillent à mettre sur le marché les condensateurs polymères, pour lesquels ils ont déposé un brevet.

Les autres contributeurs de Penn State incluent le co-premier auteur Wenyi Zhu, étudiant doctoral en génie électrique ; Zitan Huang, étudiant doctoral en science et génie des matériaux ; Yiwen Guo, étudiant doctoral en génie chimique ; Zi-Kui Liu, boursier Corning Faculty en science et génie des matériaux ; et Ralph H. Colby, professeur de science et génie des matériaux et de génie chimique ; et Seong H. Kim, chef de département et titulaire de la chaire Robb Family en génie chimique et professeur de science et génie des matériaux et de chimie ; et Qing Wang, professeur de science et génie des matériaux. Siyu Wu, Brookhaven National Laboratory ; et Wenchang Lu et J. Bernholc, North Carolina State University, ont également co-écrit l’article.

Article : Giant energy storage and dielectric performance in all-polymer nanocomposites – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : Penn State U.