Supercondensateur graphène LSG créé avec un graveur DVD

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Electrodes de graphène créées avec un graveur DVD

Des chercheurs de l'UCLA (Université de Californie Los-Angeles) ont réussi à produire des électrodes de supercondensateur en graphène en utilisant un simple graveur de DVD vendu dans le commerce.

Le procédé est basé sur un disque DVD revêtu d'un film plastique mince (PET) sur lequel a été déposé de l'oxyde de graphite. Le DVD est inséré dans un graveur DVD standard (technologie LightScribe) puis traité au laser infrarouge du graveur pour produire des électrodes de graphène.

reduction oxyde graphene

Le laser infrarouge du graveur DVD provoque la réduction et l'exfoliation simultanée de l'oxyde de graphite et produit des monocouches de graphène isolées mais enchevêtrées appelées "Laser Scribed Graphene" (LSG). Le graphène (LSG) est décollé et placé sur un substrat flexible, puis coupé en tranches pour former des électrodes. Deux électrodes sont prises en sandwich avec une couche d'électrolyte au milieu. Le résultat est un condensateur à haute densité électrochimique, dit supercondensateur.

Démonstration dans la vidéo ci-dessous :

La surface des électrodes de graphène ainsi créées est de 1.520 mètres carrés par gramme, soit 3 à 5 fois la surface des électrodes en charbon actif utilisées dans les supercondensateurs vendus dans le commerce. Il est difficile de faire mieux car la surface intrinsèque d'une couche de graphène est de 2.630 mètres carrés par gramme.

Nous avons déjà constaté les performances exceptionnelles que peut atteindre un supercondensateur haute densité grâce au graphène et aux nanotubes de carbone. Cette nouvelle technique utilisant un graveur DVD rend plus facile la création de micro-supercondensateurs en graphène et permet également d'atteindre des performances exceptionnelles.

Un supercondensateur graphène LSG ultra performant

En règle générale, la performance des dispositifs de stockage d'énergie est évaluée par deux caractéristiques principales : la densité d'énergie et la densité de puissance. Pour une voiture électrique par exemple, la densité d'énergie nous dit quelle distance peut parcourir la voiture avec une seule charge alors que la densité de puissance nous dit à quelle vitesse la voiture peut aller.

Densité d'énergie et de puissance des supercondensateurs

La recherche sur les supercondensateurs LSG est supervisée par Richard B. Kaner, un professeur de chimie et science des matériaux et ingénierie à l'UCLA, qui a déclaré que le supercondensateur graphène peut "stocker une aussi grande quantité d'énergie que les batteries conventionnelles, mais peut être chargé et déchargé 100 à 1000 fois plus rapidement. "Les supercondensateurs Laser Scribed Graphene (LSG) sont eux capables de décharger 20 watts par cm3, soit environ 20 fois plus que les supercondensateurs standards au charbon actif, et 1000 fois plus que les batteries lithium-ion en couches minces de 500 mAh.

En terme de densité d'énergie, l'équipe de recherche s'attend à obtenir 1,36 milliwatt-heure par cm3, environ 2 fois la densité énergétique des supercondensateurs à charbon actif et une densité comparable à une batterie lithium-ion couche mince de haute puissance.

Un supercondensateur LSG doté d'une puissance exceptionnelle

Les électrodes en Laser Scribed Graphene (LSG) présentent des valeurs de ultra-haute densité d'énergie avec les différents électrolytes testés tout en maintenant une densité de puissance élevée et une stabilité excellente lors des cycles de charge / décharge du supercondensateur. En outre, les micro-supercondensateurs LSG conservent d'excellentes caractéristiques électrochimiques lorsqu'ils sont soumis à un stress mécanique élevé. Une caractéristique très intéressante pour l'électronique flexible.

La structure en réseau ouvert des électrodes LSG permet de minimiser le chemin de diffusion des ions d'électrolytes, ce qui est crucial pour la capacité de recharge du supercondensateur. Cela peut s'expliquer par le fait que les feuilles de graphène sont plates et donc facilement accessibles, alors que la surface du charbon actif est constituée de très petits pores qui limitent la diffusion des ions. Cela signifie que les supercondensateurs LSG ont la capacité de délivrer une puissance extrêmement élevée en un court laps de temps.

Un supercondensateur robuste, pliable et pas très cher à produire

Les électrodes LSG sont mécaniquement robustes et montrent une conductivité élevée (> 1700 S / m) par rapport aux électrodes en charbon actif (10-100 S / m). Cela signifie que les électrodes LSG peuvent être directement utilisées comme électrodes pour supercondensateur sans avoir besoin de liants ou de collecteurs de courant comme c'est le cas pour les supercondensateurs classiques utilisant du charbon actif.

Ces propriétés permettent aux électrodes LSG d'agir à la fois comme matière active et comme collecteur de courant dans le supercondensateur. La combinaison des deux fonctions en une seule couche conduit à une architecture simplifiée et permet d'obtenir un rapport coût-efficacité intéressant pour les supercondensateurs LSG.

Les supercondensateurs disponibles dans le commerce se composent d'un séparateur pris en sandwich entre deux électrodes à électrolyte liquide qui est soit enroulé en spirale et emballé dans un récipient cylindrique, soit empilé dans une pile bouton. Malheureusement, ces architectures de supercondensateurs, non seulement souffrent de possibles fuites nuisibles d'électrolytes, mais leur conception fait aussi qu'il est difficile de les utiliser pour des raisons pratiques dans le domaine de l'électronique flexible.

supercondensateur graphene lsg

Schéma d'un supercondensateur LSG

L'équipe de recherche a remplacé l'électrolyte liquide avec un électrolyte polymère gélifié qui agit également comme un séparateur, ce qui réduit l'épaisseur et le poids du dispositif et en simplifie le processus de fabrication, car il ne nécessite pas de matériaux d'emballage spéciaux.

Afin d'évaluer en conditions réelles le potentiel des supercondensateurs LSG pour le stockage flexible, l'équipe de recherche à placé un prototype de supercondensateur LSG sous contrainte mécanique constante pour analyser ses performances. Curieusement, cela a eu un effet presque nul sur les performances de l'appareil. Seule une légère perte de 1% de la résistance électrique a été observée après 1000 cycles de flexion.

Supercondensateur flexible"Nous attribuons la performance et la durabilité à la grande flexibilité mécanique des électrodes ainsi que la structure du réseau interpénétré entre les électrodes et l'électrolyte LSG gélifiée", explique Kaner. "L'électrolyte se solidifie sur l'ensemble du dispositif et agit comme une colle qui maintient les composants du supercondensateur ensembles."

La méthode améliore l'intégrité mécanique et augmente le cycle de vie du dispositif, même lorsqu'il est testé dans des conditions extrêmes.

Cette remarquable performance n'a encore jamais été réalisée à partir de dispositifs commerciaux. Ces supercondensateurs LSG pourraient ouvrir la voie à des systèmes idéaux de stockage d'énergie pour la prochaine génération d'appareils électroniques flexibles et portables.

Grâce à leur densité de puissance énorme et une meilleure densité énergétique, les supercondensateurs pourraient révolutionner les véhicules électriques qui pourraient alors être entièrement rechargés en un temps record. Des bornes de recharge pour voiture électrique ultra-rapides et également équipées de supercondensateurs devraient permettre un temps de recharge équivalent au temps que l'on met pour faire le plein d'essence.

[Mise à jour] Richard Kaner explique dans une vidéo de 3 minutes intitulée "The super supercapacitor" comment sa technique pour créer des supercondensateurs pourrait changer la vie des gens : Le super supercondensateur.

Source : ucla.edu

8 commentaires

pascal grison 17 août 2012 à 08:01

Très prometteur, reste à savoir le coup écologique d'une production de masse et de son recyclage!?

nicco 01 novembre 2012 à 19:31

j'ai lu le texte en français mais je n'ai pas d'information sur les auteurs supposés americains : y a t'il des articles plus détaillés, et des références de brevets ?

nicco 03 novembre 2012 à 22:43

j'ai essayé de comprendre malgré le manque de description
-y a t-il des publications scientifiques? et une bibliographie?
-y a t-il des brevets ? L'équipe du Prof Kaner désire-t-elle
échanger des vues ? Je suis ingénieur docteur, école Mines Paris.

fogg 02 janvier 2013 à 17:05

bonjour Nicco,
as tu progressez dans tes recherches sur ce sujet ?
je suis intéressez par cette technologie pour équiper un véhicule, à ton avis dans quel délais sera-t-il possible de l'envisager ?
salutations Fogg

DomiM 11 février 2013 à 10:13

Bonjour,
ça parait simple, comment un docteur école Mines peut il ne pas reproduire la manip ?
La seule chose a découvrir c'est le motif qu'il faut imprimer sur le DVD pour faire la réduction et l'exfoliation simultanée de l'oxyde de graphite afin d'obtenir du graphène (LSG).

coquelicot 08 avril 2013 à 03:19

Le graphène est la seule chose qui manque aux quadcopter pour leur permettre de nous livrer des pizzas :-)

Bien plus que de recharger le batteries des voitures plus rapidement, le graphène va permettre, et ce à court terme, aux humains de se doter d'engin volant pour se déplacer ou bon lui semble.

Construire un quadcopter plus grand n'est pas compliqué, cela se pilote avec une manette de console de jeu car la stabilité est automatiquement géré, rien a voir avec un hélicopter, et puis si vous ne voulez pas piloter, vous pouvez utiliser le GPS.
Ses batteries au graphènes, que vous pourrez imprimer chez vous , vous permettrons de voler pendant plusieurs heures.

Le graphène est également ce qui manquait cruellement aux panneaux solaires et le problème du stockage de l'énergie.
Demain, les batteries au graphène seront présent dans les foyers comme certains mettent un bidon dans leur jardin pour récuperer l'eau de pluie qui sert à arroser les plantes.
Là, vous aurez une grosse batterie au graphene, alimenté en permanence par un panneau solaire, vous pourrez y stocker une quantité considérable d'énergie, et cette reserve , vous servira à recharger n'importe quoi.

Le graphène va être tellement énorme, les implications sont collossales et vont impacter absolument tout les aspects de la vie des gens.

Les gars de RepRap, ceux qui sont à l'origine des imprimantes 3D open sources reprap sont actuellement en train de developper un imprimante 3D qui imprime en graphene (reprappro.com)

henri 11 août 2013 à 12:23

le graphène pause malheureusement deux problème de taille
( 1er problème sa production en série et loin d’être métrisable actuellement )
2e problème sa dimension nanoscopique la rendent particulièrement dangereuse à l’inhalation
les nanotubes de carbone ( graphène recourbé en tube) provoque les même pathologie que l'amiante mai sur des duré d'exposition et de déclenchement extrêmement réduite
une vrais saloperie

JFM 01 septembre 2016 à 12:16

Jusqu'à présent l'oxyde de graphite c'est de l'oxyde de carbone (CO ou CO2 gazeux a température et pression ambiante) l'article devrait expliquer comment tout cela est déposé de façon stable sur un film PET ??? et comment il est réduit par une simple exposition a un laser infrarouge. (Quand on sait la presque impossibilité (sauf a la température de dissociation de la liaison)de réduire du C02 en C sans la présence d'un réducteur additionnel Fe, H2,...). Bref c'est pas bien clair cela ne de doit surement pas marcher comme expliqué.

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