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Un supercondensateur miniature grâce au graphène

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Intermédiaires entre les condensateurs classiques et les batteries, les supercondensateurs ont des applications dans l'électronique de puissance. Des chercheurs américains ont trouvé le moyen de les miniaturiser et de les faire fonctionner efficacement à hautes fréquences grâce au graphène.

La surface des électrodes recouvertes de graphène du supercondensateur observée au microscope électronique. Crédit : J Miller

Lorsque l'on a besoin de stocker très provisoirement de grandes quantités d'électricité et de les libérer rapidement, on fait appel aux supercondensateurs. Généralement réalisés à l'aide d'un procédé dit de "double couche électrochimique", ils sont désignés en anglais sous l'acronyme de EDLC (electrochemical double layer capacitator). Ce composant est constitué de deux électrodes poreuses, généralement en charbon actif et imprégnées d'électrolyte, qui sont séparées par une membrane isolante et poreuse afin d'assurer la conduction ionique.

Il est extrêmement puissant par rapport aux batteries mais il fonctionne essentiellement comme un dispositif en courant continu et n'est efficace que pour des courants alternatifs à des fréquences inférieures à 0,05 Hz. C'est suffisant pour les moteurs électriques de voitures hybrides. Mais si l'on cherche à étendre leurs applications avec des systèmes fonctionnant à des fréquences plus hautes, ce type de condensateur se comporte alors rapidement de plus en plus comme une résistance.

Cela vient de changer, comme l'expliquent dans une publication de Science John R Miller (de l'EMJ Inc à Shaker Heights) et ses collègues physiciens de la Case Western Reserve University, dans l'Ohio.

Une solution simple : boucher les pores

En utilisant des électrodes sur lesquelles ils ont déposé du graphène, les chercheurs ont réussi à développer des DLC capables de fonctionner à plus de 5.000 Hz et pouvant se charger et se décharger en moins d'une milliseconde.

Pour réaliser cet exploit, la technique employée est celle d'un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD, pour Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition en anglais). Ce procédé est utilisé pour déposer des couches minces sur un substrat à partir d'un état gazeux. Le plasma est généralement créé à partir d'un gaz par radio-fréquences ou par une décharge électrique entre deux électrodes.

L'influence du dépôt du graphène se situe au niveau des pores des électrodes. En effet, ce sont eux qui sont responsables du comportement de plus en plus semblable à une résistance pour un DLC au fur et à mesure que la fréquence s'élève. Avec le graphène, les pores ne sont plus du tout présents. En bonus, le composant réalisé est 6 fois plus petit que les condensateurs à l'aluminium.

Cela confirme donc que le graphène, que l'on considère comme un challengerdu silicium pour l'électronique de demain, pourrait intervenir dans plusieurs composants électroniques. Sous la forme du graphane, ce matériau pourrait aussi les alimenter en énergie. Les chercheurs pensent que des supercondensateurs au graphène pourraient même équiper des processeurs d'ordinateurs dans l'avenir.

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