Nouveau supercondensateur pour les applications de stockage d’énergie

Des chercheurs du département d’instrumentation et de physique appliquée (IAP) de l’Institut indien des sciences (IISc) ont conçu un nouveau supercondensateur ultramicro, un dispositif minuscule capable de stocker une énorme quantité de charge électrique. Il est également beaucoup plus petit et plus compact que les supercondensateurs existants et peut potentiellement être utilisé dans de nombreux appareils allant des lampadaires à l’électronique grand public, en passant par les voitures électriques et les appareils médicaux.

La plupart de ces appareils sont actuellement alimentés par des piles. Cependant, au fil du temps, ces piles perdent leur capacité à stocker la charge et ont donc une durée de vie limitée. Les condensateurs, en revanche, peuvent stocker la charge électrique beaucoup plus longtemps, en vertu de leur conception. Par exemple, un condensateur fonctionnant à 5 volts continuera à fonctionner à la même tension même après une décennie. Mais contrairement aux batteries, ils ne peuvent pas décharger de l’énergie en permanence – pour alimenter un téléphone portable, par exemple.

Les supercondensateurs, quant à eux, combinent le meilleur des batteries et des condensateurs : ils peuvent stocker et libérer de grandes quantités d’énergie, et sont donc très recherchés pour les appareils électroniques de la prochaine génération.

Dans l’étude actuelle, publiée dans ACS Energy Letters, les chercheurs ont fabriqué leur supercondensateur en utilisant des transistors à effet de champ (FET) comme collecteurs de charge, au lieu des électrodes métalliques utilisées dans les condensateurs existants. « L’utilisation d’un transistor à effet de champ comme électrode pour les supercondensateurs est une nouveauté pour régler la charge dans un condensateur », explique Abha Misra, professeur à l’IAP et auteur correspondant de l’étude.

Les condensateurs actuels utilisent généralement des électrodes à base d’oxyde métallique, mais elles sont limitées par la faible mobilité des électrons. Abha Misra et son équipe ont donc décidé de construire des FET hybrides constitués d’une alternance de couches de disulfure de molybdène (MoS2) et de graphène de quelques atomes d’épaisseur – pour augmenter la mobilité des électrons – qui sont ensuite connectées à des contacts en or. Un gel électrolytique solide est utilisé entre les deux électrodes du FET pour construire un supercondensateur à l’état solide. L’ensemble de la structure est construit sur une base de dioxyde de silicium/silicium.

« La conception est la partie critique, car il s’agit d’intégrer deux systèmes« , explique M. Misra. Les deux systèmes sont les deux électrodes FET et le gel électrolytique, un milieu ionique, qui ont des capacités de charge différentes. Vinod Panwar, doctorant à l’IAP et l’un des auteurs principaux, ajoute qu’il a été difficile de fabriquer le dispositif pour obtenir toutes les caractéristiques idéales du transistor. Comme ces supercondensateurs sont très petits, ils ne peuvent pas être vus sans un microscope, et le processus de fabrication exige une grande précision et une coordination main-œil.

Une fois le supercondensateur fabriqué, les chercheurs ont mesuré la capacité électrochimique ou la capacité de rétention de charge du dispositif en appliquant différentes tensions. Ils ont constaté que, dans certaines conditions, la capacité augmentait de 3 000 %. En revanche, un condensateur contenant uniquement du MoS2 sans graphène ne présentait qu’une augmentation de 18 % de la capacité dans les mêmes conditions.

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’étudier si le remplacement du MoS2 par d’autres matériaux peut encore augmenter la capacité de leur supercondensateur. Ils ajoutent que leur supercondensateur est entièrement fonctionnel et peut être déployé dans des dispositifs de stockage d’énergie tels que les batteries de voitures électriques ou tout système miniaturisé par intégration sur puce. Ils prévoient également de déposer une demande de brevet pour leur supercondensateur.

CREDIT / Vinod Panwar and Pankaj Singh Chauhan