Supercondensateur silicium-graphène : pas si performant que ça

Supercondensateur en Silicium enveloppé de graphène

Supercondensateur en Silicium enveloppé de graphène

Une équipe de chercheurs de l'Université Vanderbilt (Tennessee) a conçu un supercondensateur en silicium poreux revêtu de graphène proposant une capacité équivalente aux supercondensateurs du commerce.

Avec cette technique, on peut imaginer intégrer un supercondensateur directement sur la surface en silicium des cartes électroniques et des panneaux solaires.

De nombreux articles parlent déjà du supercondensateur en silicium créé par les chercheurs américains. On pourrait créer des cartes électroniques pour téléphones portables qui font office de batteries, des cellules solaires qui stockent l'électricité qu'elles produisent...

D'autres chercheurs ont obtenus des performances bien plus intéressantes avec d'autres matériaux et d'autres techniques. Les recherches dans le domaine des supercondensateurs avancent très vite, mais ce supercondensateur en silicium attire particulièrement l'attention de la presse : le marketing à ses raisons que la raison ignore...

Certains articles affirment même que ce supercondensateur en silicium est une super batterie qui se recharge en un éclair et qui est capable de faire fonctionner un téléphone portable pendant des semaines !

Incroyable ! Mais totalement faux...

Ne pas confondre le potentiel des supercondensateurs avec ce supercondensateur en silicium

Les journalistes ne sont pas vraiment fautifs car ils ont été trompés par une accroche plus que douteuse de cet article paru sur le site de l'université de Vanderbilt : New device stores electricity on silicon chips.

L'article fait référence aux immenses possibilités que pourrait apporter le graphène à l'avenir. Mais les performances offertes par le supercondensateur en silicium-graphène créé par les chercheurs de l'université de Vanderbilt sont toutes autres.

Cela rappelle le buzz incroyable du supercondensateur conçu par la lycéenne Eesha Khare. La jeune femme avait emballé les journalistes en expliquant que la batterie de son téléphone se déchargeait trop rapidement et qu'en cherchant un moyen de le recharger très rapidement, elle avait pensé à améliorer les condensateurs dont la recharge est ultra rapide. Le supercondensateur créé par la lycéenne est plus performant que ceux du commerce, mais on est très loin de la révolution annoncée.

Ces buzz ont l'avantage de faire connaître la technologie très prometteuse des supercondensateurs. Mais à force de confondre le potentiel des supercondensateurs avec les performances effectivement atteintes par les supercondensateurs de certains chercheurs, on décrédibilise cette technologie.

Le supercondensateur en silicium-graphène

D'ordinaire, les matériaux en silicium ne sont pas utilisés pour la création de supercondensateurs en raison de l'extrême réactivité du silicium avec les électrolytes. Les supercondensateurs en silicium offrent donc des performances tout à fait exécrables.

Les scientifiques de l'université de Vanderbilt ont réussi à transformer le silicium poreux (P-Si) en électrodes stables pour les dispositifs électrochimiques grâce à la croissance d'une mince couche de graphène à la surface du silicium. Les performances du supercondensateur ont ainsi été plus que décuplées pour arriver à une performance... proche des supercondensateurs du commerce.

supercondensateur silicium graphene

Soyons plus précis

Pour créer un supercondensateur avec une grande densité d'énergie, il faut avoir la plus grande surface d'électrode possible pour qu'une grande quantité d'ions puissent s'y accrocher (cf : C'est quoi un supercondensateur ???). Les chercheurs ont donc créé du silicium poreux, un matériau avec une nanostructure contrôlable et bien définie réalisée par gravure électrochimique à la surface d'une plaquette de silicium.

Cela leur a permis de créer des surfaces avec des nanostructures optimales pour les électrodes de supercondensateurs, mais il restait avec un problème majeur. Le silicium est généralement considéré comme impropre à une utilisation dans des supercondensateurs, car il réagit facilement avec certains produits chimiques dans les électrolytes qui fournissent les ions qui stockent la charge électrique.

Ayant une certaine expérience dans le domaine des nanostructures de carbone en croissance, le groupe de scientifiques a décidé d'essayer de recouvrir la surface en silicium poreux de carbone. "Nous n'avions aucune idée de ce qui allait arriver", a déclaré Cary Pint. "En général, les chercheurs développent du graphène à partir de matériaux en carbure de silicium à des températures supérieures à 1400 degrés Celsius. Mais à des températures inférieures - de 600 à 700 degrés Celsius - nous ne nous attendions certainement pas à obtenir une croissance de graphène".

[Les découvertes autour du graphène se succèdent à un rythme élevé depuis sa découverte en 2004. C'est pourquoi le graphène est une des meilleures pistes dans le développement de supercondensateurs à haute densité. Voir notre article : Un supercondensateur en graphène stockant autant qu'une batterie plomb-acide bientôt commercialisé.]

Lorsque les chercheurs ont sorti le silicium poreux du four, ils ont constaté qu'il avait tourné de l'orange au violet ou au noir. Quand ils ont observé le matériau à l'aide d'un puissant microscope électronique à balayage, ils ont trouvé qu'il avait l'air presque identique au matériau d'origine, mais il a été recouvert par une couche de graphène de quelques nanomètres d'épaisseur.

silicium graphene au microscope électronique

Les chercheurs ont alors testé le matériau enrobé de graphène et constaté qu'il avait stabilisé chimiquement la surface de silicium. Après avoir créer des supercondensateurs avec ce silicium recouvert de graphène, ils ont constaté que le revêtement de graphène améliorait la densité d'énergie de plus de deux ordres de grandeur par rapport à ceux fabriqués à partir de silicium poreux non recouverts de graphène.

La couche de graphène agit comme un revêtement protecteur atomique mince. Pint et son groupe font valoir que cette approche n'est pas limitée au graphène. "La capacité à concevoir des surfaces avec des couches atomique minces de matériaux combinés avec le contrôle réalisé dans la conception de matériaux poreux ouvre des opportunités pour un certain nombre d'applications différentes au-delà du stockage de l'énergie".

"Malgré l'excellente performance de l'appareil, notre but n'était pas de créer des dispositifs avec des performances record", a déclaré Pint. "Il était d'élaborer une feuille de route pour le stockage d'énergie intégré. Le silicium est un matériau idéal, car il est la base de beaucoup de nos technologies et applications modernes."

Le groupe des Pint utilise actuellement cette méthode pour développer le stockage d'énergie à partir des matières de silicium en excès ou sur les côtés ou sur le dos non utilisé des cellules solaires. Les supercondensateurs permettraient alors de stocker le surplus d'électricité que les cellules produisent à midi et de le libérer lorsque des pics de demande dans l'après-midi.

"Toutes les choses que nous utilisons dans un environnement moderne nécessitent de l'électricité", a déclaré Pint. "Plus nous pourrons intégrer de stockage d'énergie dans les matériaux et dispositifs existants, plus compacts et efficaces ils deviendront."

Les performances concrètement atteintes...

  • Densité d'énergie : jusqu'à 7 Wh/kg (2.5 à 3.5 Wh/kg avec emballage)
  • Densité de puissance : jusqu'à 4000 W/kg
  • Longévité : 4,8% de capacité perdue après 5 000 cycles de recharge

densite energie

Ces performances n'ont rien d'exceptionnelles, d'autant plus que les chercheurs ont utilisé un liquide ionique comme électrolyte (1-éthyl-3-méthyl-Tétrafluoroborate). Les liquides ioniques agissent comme un dopant pour les supercondensateurs, mais ils coûtent encore très chers aujourd'hui (le prix des liquides ioniques diminue cependant et de nouveaux liquides ioniques proposent des caractéristiques intéressantes pour les supercondensateurs).

Sur supercondensateur.com, nous avons une grande confiance dans le potentiel des supercondensateurs. Nous pensons que cette technologie révolutionnera le stockage de l'électricité. Les chercheurs de l'Université Vanderbilt ont fait une découverte importante pour le stockage d'électricité intégré, mais comme ils le disent eux-même, ils ne cherchaient pas à obtenir des performances record avec le silicium.

Ce supercondensateur en silicium recouvert de graphène ouvre donc des perspectives intéressantes, mais on est loin d'atteindre le niveau de performance permettant la révolution du stockage d'énergie que nous attendons. Pour cela nous misons plutôt sur les supercondensateurs à base de graphène, de nanotubes de carbone ou de dioxyde de manganèse...

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