Un supercondensateur qui rivalise avec une batterie nickel-hydrure métallique

Les supercapas veulent rivaliser avec les batteries. Des chercheurs de l'Université technique de Munich ont mis au point un supercondensateur capable de stocker autant d'énergie qu'une batterie nickel-hydrure métallique (NiMH). Leur secret : la microstructuration de la cathode grâce à un matériau hybride à base de graphène et de MOF.

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Un supercondensateur qui rivalise avec une batterie nickel-hydrure métallique
Analyse microscopique du matériau hybride mis au point par les chercheurs du TUM. a) image du graphène qui montre sa nature stratifiée ; b-d) Réseau fibreux, où les nanofibres de graphène sont interconnectées par des nanocristaux octaédriques de UiO-66-NH2 ; e-i) La cartographie des éléments montre la distribution homogène du carbone, du zirconium, de l'azote et de l'oxygène.

Les supercondensateurs détrôneront ils les batteries dans les équipements électroniques ? C’est la conviction d’une équipe de chercheurs de l'Université de Munich (TUM), en Allemagne, qui a mis au point un supercondensateur rivalisant avec les accumulateurs nickel-hydrure métallique (NiMH) en termes de densité d'énergie stockée. Ces travaux ont été publiés en décembre dans Advanced Materials.

L’enjeu est de taille car les supercondensateurs, capables d’emmagasiner et de décharger rapidement de l’énergie et affichant une durée de vie plus importante que les batteries, intéressent les constructeurs d’appareils électroniques. Mais leur utilisation est restée jusqu’à présent limitée à cause de leur faible densité énergétique : alors que les batteries lithium-Ion peuvent contenir entre 100 et 265 Wh/kg, les supercondensateurs actuels n’atteignent que 10 Wh/kg.

Microstructurer les électrodes

Pour améliorer la densité énergétique, les chercheurs travaillent sur la microstructuration des électrodes afin d'augmenter la surface active de l’électrode et emmagasiner davantage d’ions. La société française Nawa Technologies a ainsi choisi d’utiliser des nanotubes de carbone alignés sur un substrat d’aluminium . Ce qui devrait lui permettre, selon ses dirigeants, de dépasser une densité d’énergie de 25 Wh/kg.

L’équipe du TUM a opté quant à elle pour une architecture asymétrique des électrodes : la cathode est constituée de graphène carboxylé chimiquement, combiné à une structure métallo-organique (MOF) - l'UiO-66-NH2 - , tandis que l’anode est constituée d’un Mxene à base de titane et de carbone – un matériau déjà éprouvé.

Une surface active de 900 m2/g pour une densité énergétique de 73 Wh/kg

Dans cette structure hybride, le MOF et le graphène sont connectés par un acide aminé, créant ainsi une liaison peptidique très stable entre les deux éléments. L’avantage de cette association de ces deux matériaux est qu’elle évite aux feuilles de graphène de se coller entre elles à cause de la force de van der waals entre les couches, ce qui réduit la surface active de l’électrode. Les MOF jouent donc le rôle « d’écarteurs » entre les feuilles de superconducteur, permettant de structurer précisément la cathode. Ce matériau hybride permet d’avoir une surface active de 900 mètres carré par gramme.

Les chercheurs du TUM ont montré que cette architecture pouvait atteindre une densité de 73 Wh/kg, soit l’équivalent d’une batterie NiMH ou encore plomb-acide, disponibles dans le commerce. Le dispositif est capable de restituer une densité de puissance de 16 kW/kg et conserve 88% de sa capacité initiale après 10 000 cycles, alors qu’une batterie au lithium atteint sa durée de vie utile au bout de 5000 cycles.

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