08/04/2014 - Stockage de l'énergie. Développé une méthode qui améliore les supercondensateurs

Menéame

Un travail publié dans le magazine Carbon par des chercheurs de la UAM paie le chemin vers matériaux carbones des densités d’énergie potentiellement beaucoup plus élevées que celles obtenues jusqu'à présent, ce qui peut permettre d’améliorer la pénétration commerciale des supercondensateurs.

Aujourd'hui, il y a un grand intérêt à développer sources d’énergie renouvelables pour remplacer les combustibles fossiles qui sont utilisés progressivement. Toutefois, pour que des sources d’énergie renouvelables telles que le solaire ou l’éolienne deviennent majoritaires, il faut compenser leur interconnexion pour que la demande et l’offre soient constamment ajustées, ce qui exige l’alignement de systèmes de stockage d’énergie qui, dans bien des cas, ne peuvent pas encore atteindre les rendements souhaitables de manière compétitive.

En particulier, les dispositifs électrochimiques de stockage d’énergie (batteries et supercondensateurs) sont les plus adaptés à la plupart des besoins. Ce sont à bien des égards complémentaires en raison de leurs différents mécanismes d’accumulation d’énergie. Les supercondensateurs ont des densités de puissance très élevées et sont donc en mesure de fournir une grande quantité d’énergie pendant de courtes périodes (secondes ou minutes), mais ils doivent améliorer leurs densités d’énergie (être capables de fournir de l’énergie plus longtemps) pour être commercialement compétitifs.

L’une des stratégies les plus importantes qui est explorée pour ce faire est l’amélioration des matériaux carbones qui forment généralement les électrodes de ces dispositifs. Afin d’améliorer leurs densités d’énergie, outre l’augmentation de leur surface (ce qui augmente l’énergie stockée par des forces d’attraction et de répulsion électrique de charges, qui sont typiques des supercondensateurs), on s’est efforcé de faire en sorte que différents composés augmentent l’énergie en ajoutant leurs réactions d’oxydation et de réduction semblables à celles présentes dans les batteries, principalement des oxydes métalliques ou des composés quinoniques.

Cependant, et après des décennies de recherche, aucune de ces stratégies n’a été suffisante pour améliorer la pénétration commerciale de ces dispositifs.

Récemment, il a été découvert que si la taille de pores du matériau carboneux est petite (mineur de 1 nanomètre) et coïncide avec la taille de l’ion d’hydrogène qui s’y adsorbe en accumulant de l’énergie, l’énergie accumulée électrostatiquement augmente considérablement, ce qui constitue une nouvelle voie pour augmenter les densités d’énergie de ces dispositifs et fait l’objet d’un grand intérêt dans la recherche actuelle.

Comme un pas de plus dans cette direction, des chercheurs du Département de chimie organique de l’Université autonome de Madrid (UAM), dirigés par les professeures María del Carmen Carreño et María Ribagorda, ont développé (en collaboration avec des chercheurs de l’Unité de process électrochimiques de l’Institut IMDEA Energy, sous la direction du Dr. Raúl Díaz) une méthodologie qui permet de combiner ces matériaux carbones de taille de pores optimale avec la présence sur sa surface de composés qui ajoutent des réactions redox, dans ce cas composés quinoniques.

Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé des réactions de type Friedel-Crafts pour promouvoir la liaison covalente entre les charbons et les quinonas (voir figure). Le résultat est des charbons avec plus de densités d’énergie, provenant à la fois des réactions redox des quinones ajoutées et de la plus grande quantité d’énergie électrostatique stockée par l’adéquation de la taille des pores des charbons à la taille des ions d’hydrogène qui y sont adsorbés.

Ce travail, publié dans la revue Carbon, c’est la première étape vers des matériaux carboneux à densité d’énergie potentiellement beaucoup plus élevée que celles obtenues à ce jour qui peuvent permettre d’améliorer la pénétration commerciale des supercondensateurs.

Référence:
 

Isikli, S.; Lecea, M.; Ribagorda, M.; Carmen Carreño, M.; Diaz, R., Influence of quinone grafting via Friedel-Crafts reaction on carbon porous structure and supercapacitor performance, Carbon (2014), 66, 654-661.

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UAM

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