La demande croissante pour les appareils électroniques portables, les textiles électroniques et les dispositifs IoT stimule le besoin de technologies légères et de solutions de stockage d’énergie miniaturisées. Les nanomatériaux à base de graphène se trouvent au cœur de recherches intensives en raison de leur stabilité chimique, de leur grande surface, de leur résistance, de leur flexibilité, ainsi que de leur conductivité thermique et électrique supérieure.
Les supercondensateurs, réputés pour leurs taux de charge-décharge rapides, leur longue durée de vie et leur structure simple, deviennent indispensables pour le stockage d’énergie dans les appareils électroniques, les véhicules électriques et les dispositifs biomédicaux. Ils fonctionnent en stockant des charges par adsorption et désorption d’ions aux interfaces des électrodes, atteignant des densités de puissance supérieures à 10 000 W/kg.
Les microsupercondensateurs, versions plus petites et plus légères, conviennent particulièrement aux appareils électroniques portables et portés sur soi, offrant des densités de puissance encore plus élevées.
La haute conductivité électrique et la grande surface de certains matériaux à base de graphène les rendent idéaux pour ces applications. Toutefois, les méthodes de production actuelles présentent des problèmes de toxicité et d’évolutivité, limitant leur utilisation généralisée. De plus, les matériaux doivent se conformer aux exigences des techniques de dépôt capables de garantir un débit de production raisonnable.
Les chercheurs de l’INL ont développé une approche durable pour produire une pâte conductrice à base de graphène, adaptée à la fabrication de dispositifs flexibles.
Le travail démontre une méthode innovante pour une production évolutive, rentable et respectueuse de l’environnement de matériaux de graphène de haute qualité, ouvrant la voie à des applications avancées dans le stockage d’énergie et l’électronique flexible.
Siva Sankar Nemala, chercheur à l’INL et premier auteur de l’article, explique la méthodologie : « Notre approche repose sur l’exfoliation du graphite dans l’eau en utilisant des techniques de mélange à haute cisaillement et de pulvérisation sans air à haute pression, soigneusement optimisées pour obtenir des dispersions de graphène hautement concentrées et stables. Les matériaux de graphène sont ensuite combinés avec du noir de carbone et un liant naturel pour former une pâte composite écologique pouvant être utilisée pour fabriquer des microsupercondensateurs entièrement flexibles et performants. »
« Ces microsupercondensateurs démontrent une très haute capacité et densité d’énergie, offrant une efficacité coulombique et une cyclabilité exceptionnelles (~99 % après 10 000 cycles), une flexibilité mécanique et la possibilité d’intégration en série/parallèle sans interconnexions métalliques pour des sorties haute tension et haute capacité. En conséquence, ces dispositifs légers et polyvalents ont un potentiel énorme pour les applications électroniques », précise Andrea Capasso, chercheur à l’INL et coordinateur de l’étude.
Il ajoute : « Nous avons développé une pâte unique pour des dispositifs électroniques innovants pouvant être fabriqués par des techniques à faible coût telles que le revêtement par lame et la sérigraphie, faisant un pas significatif vers la production commerciale. »
La polyvalence et le potentiel d’application large de cette pâte à base de nanocarbone ont été démontrés par les chercheurs, qui ont fabriqué une gamme de dispositifs divers, y compris des revêtements efficaces pour le blindage contre les interférences électromagnétiques et des capteurs de contrainte portables fiables intégrés dans des textiles.
Légende illustration : Revêtements de blindage EMI à base de graphène sur des substrats en PET. (a) Image photographique d’une pâte à base de graphène appliquée sur du PET.
Article : « Sustainable graphene production for solution-processed microsupercapacitors and multipurpose flexible electronics » – DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109781
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