Supercondensateur en fibre à tisser dans des vêtements intelligents

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Supercondensateur en fibre de graphène et nanotubes de carbone

Une équipe internationale de chercheurs a mis au point un supercondensateur en fibre souple qui peut être tissé dans des vêtements. Ce supercondensateur constitué d'un réseau interconnecté de graphène et de nanotubes de carbone est capable de stocker autant d'électricité qu'une batterie Lithium-ion à couche mince.

Les chercheurs ont mis au point un moyen de produire de façon continue la fibre flexible, leur permettant d'augmenter la production pour une grande variété d'utilisations. A ce jour, ils ont fait de longues fibres de 50 mètres, mais ils peuvent créer des fibres sans limite de longueur. De quoi permettre de tisser des supercondensateurs dans des vêtements afin d'alimenter des moniteurs médicaux, des dispositifs de communication, ou d'autres petits appareils électroniques portatifs.

Ce supercondensateur cumule donc les meilleures caractéristiques que l'on puisse trouver pour le stockage d'énergie de taille microscopique : bonne densité d'énergie, bonne puissance d'énergie et bonne cyclabilité (longue durée de vie). La flexibilité en plus...

L'équipe internationale qui a réalisé ce supercondensateur aux caractéristiques exceptionnelles est composée de chercheurs de l'Université technologique de Nanyang (NTU) de Singapour, l'Université de Tsinghua en Chine, et Case Western Reserve University aux Etats-Unis.

Pour obtenir un auto-assemblage de graphène et de nanotubes de carbone en une longue fibre, les chercheurs ont utilisé une solution contenant des nanotubes mono-paroi traités à l'acide oxydé, de l'oxyde de graphène et du éthylènediamine, qui favorise la synthèse et dope le graphène avec de l'azote. Cette solution est alors pompée à travers un tube souple renforcé et étroit appelé une colonne capillaire, qui est ensuite chauffée dans un four pendant six heures.

graphene ntc hybride

Auto-assemblage de graphène et de nanotubes de carbone (publié en 2009)

Le processus d'auto-assemblage de graphène et de nanotubes de carbone a déjà été présenté en 2009 par Dingshang Yu de l'Université technologique de Nanyang à Singapour et Laming Dai de Case Western, qui sont également membres de l'équipe de recherche internationale actuelle. Le pompage dans une colonne capillaire permet de compresser la structure en un réseau interconnecté et poreux offrant une grande densité d'énergie.

L'utilisation conjointe de nanotubes de carbone et de graphène permet en effet de séparer les feuilles de graphène tout en conservant une grande surface spécifique, qui est un des points les plus importants pour obtenir des supercondensateurs avec une grande densité d'énergie. Cette structure hybride présente une très grande surface disponible pour le stockage de l'énergie : 396 mètres carrés par gramme de fibre.

carbone hybride microfibres

Les scientifiques ont assemblé deux fibres de graphène / nanotubes de carbone avec un gel d'acide / alcool polyvinylique phosphorique qui fait office d'électrolyte. Ils ont ainsi obtenu un supercondensateur pourvu d'une densité d'énergie de 6,3 microwatts-heures par millimètre cube. Cette densité d'énergie volumique est la plus élevée jamais enregistrée pour un micro-supercondensateur à base de carbone. Elle est équivalente à celle que l'on obtient pour des batteries Lithium-ion en couche mince de 4 volts / 500 micro-ampère-heure.

Un supercondensateurs aux caractéristiques exceptionnelles

Lors de tests, les chercheurs ont constaté que trois paires de fibres disposées en série permettaient de tripler la tension tout en maintenant un même temps de charge / décharge. Trois paires de fibres en parallèle triplent le courant de sortie et le triplent le temps de charge / décharge, par rapport à une fibre unique fonctionnant à la même densité de courant.

Quand ils intègrent de multiples paires de fibres entre deux électrodes, la capacité de stocker de l'électricité, dite "capacitance", augmente de façon linéaire en fonction du nombre de fibres utilisées.

Comme tout supercondensateur, il a l'avantage de pouvoir se charger et libérer de l'énergie beaucoup plus rapidement qu'une batterie. De même, la cyclabilité du supercondensateur est très élevée, donc sa durée de vie est beaucoup plus longue qu'une batterie (caractéristique très importante pour les dispositifs médicaux implantés). Après 10 000 cycles de charge / décharge, le supercondensateur conserve 93% de sa capacité. Rappelons que les batteries traditionnelles deviennent généralement inutilisables avant d'atteindre 1000 cycles de recharge.

Pour couronner le tout, le supercondensateur en fibre conserve toutes ses performances lorsqu'il est soumis à des tests de flexibilité et de stress. Après avoir été plié et déplié des centaines de fois, aucune perte de capacité n'a été observée : le supercondensateur conserve une haute capacité de 300 Farads par centimètre cube. Une qualité indispensable pour pouvoir utiliser le supercondensateur en fibre dans le tissage de vêtements intelligents.

Les chercheurs vont continuer à travailler sur cette technologie pour obtenir une production de masse et à faible coût. Etape importante pour une prochaine commercialisation de ces micro-supercondensateurs en fibre de haute performance.

En outre, "L'équipe est également intéressée par l'essai de ces fibres pour des applications multifonctionnelles, comprenant les batteries, les piles solaires, les biocarburants, et des capteurs pour les systèmes optoélectroniques flexibles et faciles à porter", a déclaré Dai. "Ainsi, nous avons ouvert de nombreuses possibilités et ont encore beaucoup à faire."

Sources : nature.com et cleantechnica.com

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