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Fait marquant

Du graphène ponté pour améliorer les performances des super condensateurs



​Afin d'améliorer les performances des super condensateurs, des chercheurs de notre laboratoire ont eu l’idée d’espacer les feuillets de graphène en utilisant une molécule pilier formant ainsi des galeries de graphène ponté.

Publié le 30 juillet 2019
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 satisfaire ces deux prérequis ?

Des chercheurs de notre laboratoire 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). Nous avons eu l’idée d’espacer les feuillets de graphène en utilisant une molécule pilier formant ainsi des galeries de graphène ponté (Figure, droite).


Schéma de principe entre graphène RGO réagrégé (à gauche) et graphène ponté expansé (à droite).

Nous avons 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 piliers greffés de façon covalente, associée au contrôle de leur densité ouvrira d'importantes perspectives de recherche sur les matériaux carbonés pour la mise au point de SC de haute performance.


Gauche : Données EIS montrant que la résistance au transport ionique est plus faible et que la capacité est plus élevée dans le cas d'échantillons dont les galeries sont obtenues à partir d'une quantité inférieure de piliers moléculaires.
Droite : Vue d'artiste représentant des oiseaux (à la place des cations), accédant à une forêt multi-niveaux (à la place du graphène ponté).
© Déborah Schrimm

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.

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