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Afin d'améliorer les performances des super condensateurs, des chercheurs de l'lnstitut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (lRlG) ont eu l'idée d'espacer les feuillets de graphène en utilisant une molécule pilier formant ainsi des galeries de graphène ponté.
Schéma de principe entre graphène RGO ré agrégé (à gauche) et graphène ponté expansé (à droite).
Un super condensateur (SC) permet de stocker l'électricité au sein d'une cellule constituée de deux électrodes poreuses imprégnées d'électrolyte. Ces électrodes sont séparées par une membrane isolante et perméable aux espèces électrolytiques, qui s'ad/désorbent à la surface des électrodes en fonction du potentiel appliqué aux bornes du dispositif. Pour atteindre des performances optimales, le matériau d'électrode doit présenter une surface développée importante. D'autre part, la taille des pores, au sein desquels les ions sont adsorbés, ainsi que le diamètre des espèces électrolytiques doivent coïncider. Le graphène peut-il présenter ces deux prérequis ?
Des chercheurs du laboratoire Système Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie et la Santé de l'Irig utilisent le graphène en raison de sa grande surface spécifique, de sa conductivité électrique et de sa flexibilité mécanique. L'oxyde de graphène réduit (RGO), un matériau proche du graphène et testé pour les SC, offre toutefois des capacités gravimétriques limitées. En effet les feuillets de graphène ont tendance à se ré-agréger diminuant ainsi la surface disponible pour l'adsorption des ions (Figure, gauche). Ces chercheurs ont eu l'idée d'espacer les feuillets de graphène en utilisant une molécule pilier formant ainsi des galeries de graphène ponté (Figure, droite). Ils ont mis en évidence que le nombre de piliers dans les galeries avait une influence significative sur la densité d'espèces électrolytiques adsorbées et sur leur cinétique de transport: un remplissage médian favorise l'accès des ions aux galeries, augmente la surface disponible à l'adsorption et améliore le transport ionique au sein de cette porosité 2D. La densité de ces échantillons a ensuite été modifiée permettant d'atteindre des capacités volumiques plus élevées.
L'ensemble des résultats obtenus apporte la preuve que l'utilisation de pilier greffés de façon covalente, associée au contrôle de leur densité contribuera à d'importantes perspectives de recherche sur les matériaux carbonés pour la mise au point de SC de haute performance.
Le principe de fonctionnement d'un super condensateur (SC) est basé sur l'adsorption d'ions à la surface d'électrodes chargées, ainsi que sur les cinétiques de migration de ces ions au sein de la cellule. Les paramètres qui décrivent les performances des SC sont les densités d'énergie et de puissance. La densité d'énergie est directement proportionnelle à la surface développée de l'électrode et ainsi à la densité d'espèces électrolytiques adsorbées à sa surface.
Références piublication:
Banda H, Périé S, Daffos B, Taberna PL, Dubois L, Crosnier O, Simon P, Lee D, De Paëpe G and Duclairoir F
Sparsely pillared graphene materials for high-performance supercapacitors: Improving ion transport and storage capacity.
ACS Nano, 2019
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