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Nanofleurs et supercondensateurs pour la voiture électrique du futur ?

ActualitéClassé sous :technologie , supercondensateur , nanotube de carbone

A l'aide de nanotubes, une équipe chinoise a réalisé des supercondensateurs deux fois plus efficaces. Ces dispositifs, venant compléter les batteries, améliorent ou pourraient améliorer les performances des appareils électriques, des téléphones portables aux automobiles.

A gauche, les fleurs de manganèse fixées aux nanotubes vues au microscope électronique à balayage. A droite, gros plan sur une fleur avec un microscope à transmission. © 2008 American Chemical Society

Piquez des nanotubes de carbone sur une feuille de tantale (un métal), comme du blé planté dans la terre. Fixez délicatement sur chaque tige une fleur d'oxyde de manganèse. Répétez l'opération sur une seconde feuille de tantale et rapprochez-la de la première. Entre les deux, faites couler de l'électrolyte et fermez ce sandwich. Voilà un supercondensateur aux performances exceptionnelles. C'est la recette que vient de détailler Hao Zhang et son équipe du Research Institute of Chemical Defense, à Beijing (Pékin) dans la revue Nanoletters.

Cette construction nanométrique fonctionne comme un supercondensateur mais avec une capacité deux fois supérieure aux modèles existants. Avec des propriétés intermédiaires entre une batterie et un condensateur, les supercondensateurs ont trouvé de nombreuses applications. Leur temps de charge est extrêmement faible, comme un condensateur. Un appareil léger, comme un téléphone, dans lequel la batterie aurait été remplacée par un supercondensateur, se chargerait en quelques secondes. De même, leur temps de décharge peut être très faible. Ils sont donc capables d'envoyer à un appareil électrique une puissance élevée pendant un temps court, ce que ne sait pas faire une batterie. Mais les supercondensateurs n'ont qu'une capacité très faible. En lieu et place d'une batterie, ils ne confèreraient qu'une demi-heure d'autonomie à un portable et rendrait une voiture électrique inutilisable.

Ces dispositifs trouvent leur utilité dans des applications précises, venant en général compléter une batterie. Ainsi, des supercondensateurs de petites tailles peuvent alimenter un appareil électrique le temps d'en changer les piles. Des modèles de plus grandes tailles peuvent être installés en tampon entre la batterie et un moteur électrique pour délivrer momentanément un surcroît de puissance.

Schéma du montage nanométrique. Sur la feuille de tantale (Ta foil) sont plantés les nanotubes de carbone, qui fléchissent et viennent se coller les uns aux autres. Les agrégats d'oxyde de manganèse (MnO flowers) se fixent sur les zones de contact entre nanotubes, qui ménagent entre eux des espaces vides (macropores) où s'accumulent les ions de l'électrolyte (marques bleues et rouges). Entre les fleurs de MnO et le tantale, les nanotubes forment des conducteurs (Superior Electronic Conductives Paths) pour les électrons (marques jaunes). © 2008 American Chemical Society

Complémentaires des batteries

Un supercondensateur classique est composé de deux feuilles faisant office d'électrodes et faites d'un matériau poreux qui offre une grande surface pour un petit volume (la surface spécifique). On utilise en général du charbon actif. Elles sont imprégnées d'un électrolyte (un liquide conducteur) et séparées par une membrane. Quand une tension est appliquée entre les deux électrodes, les charges électriques viennent s'accumuler sur les deux faces, les positives d'un côté et les négatives de l'autre. Elles emmagasinent de cette manière l'énergie électrique qui peut être restituée lors de la décharge, comme le fait un condensateur.

A la place du charbon actif, l'équipe de Hao Zhang a utilisé une forêt de nanotubes de carbone enfichés sur une feuille de tantale (un métal classiquement utilisé dans les condensateurs). Les chercheurs ont ensuite fait croître des nanocristaux d'oxyde de manganèse, formant des sortes de fleurs de 100 nanomètres de diamètre, qui viennent se fixer sur les nanotubes là où ils s'entremêlent. Les charges électriques s'accumulent sur eux et peuvent migrer rapidement vers le tantale via les nanotubes. La surface spécifique obtenue serait de 236 mètres carrés par gramme.

Baptisée CNTA (Manganese oxide nanoflower/carbon nanotube array), cette technique permet d'atteindre une capacité spécifique de 199 farads par gramme (ou 305 F/cm3), soit environ deux fois plus que les supercondensateurs classiques. Avec de telles performances, elle en élargirait l'utilisation possible. Depuis de nombreuses années, on pense aux supercondensateurs pour épauler la batterie d'une voiture électrique lors des démarrages et des accélérations. Une capacité supérieure rendrait la solution intéressante.

Mais l'innovation chinoise en reste pour l'instant au stade du laboratoire. La réalisation d'un supercondensateur de grande taille composé de nanotubes de carbone et de tantale serait techniquement difficile et d'un coût prohibitif. Il faut retenir que ces travaux s'inscrivent dans une voie de recherche aujourd'hui très active. Il y a quelques jours seulement, une autre équipe, américaine celle-là, annonçait pouvoir, eux aussi, doubler la capacité d'un supercondensateur à l'aide d'électrodes en graphène. Une telle activité concentrée sur un même domaine indique clairement l'importance qu'on lui accorde...

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