High-energy supercapacitor constructed of La-doped ZnFe₂O₄ positive electrode material and hydrophilic carbon nanotube negative electrode
Cette étude démontre la fabrication d'un supercondensateur asymétrique à haute densité d'énergie utilisant du ZnFe₂O₄ dopé à 0,5 % de La assisté par micro-ondes comme cathode et des nanotubes de carbone hydrophiles comme anode, lequel délivre une capacité spécifique de 426 F/g et maintient une rétention de 83,2 % après 10 000 cycles.
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Dans le monde moderne, la demande pour une énergie propre et portable croît plus vite que jamais. Nous dépendons des batteries pour alimenter tout, des smartphones aux voitures électriques, mais les batteries traditionnelles ont une limite : elles mettent longtemps à se charger et ne peuvent souvent pas libérer leur énergie assez rapidement pour des tâches à haute puissance. C'est ici que les supercondensateurs entrent en jeu. Considérez-les comme les sprinteurs du monde de l'énergie. Contrairement aux batteries, qui stockent l'énergie par des changements chimiques lents au plus profond de leur structure, les supercondensateurs stockent l'énergie à la surface de leurs matériaux, ce qui leur permet de se charger et de se décharger en quelques secondes. Cependant, ils ont historiquement eu du mal à contenir autant d'énergie totale que les batteries. Le défi pour les scientifiques est de construire un supercondensateur qui soit à la fois rapide et puissant, capable de stocker une grande quantité d'énergie sans sacrifier sa vitesse. Pour ce faire, les chercheurs doivent concevoir les minuscules matériaux à l'intérieur du dispositif afin qu'ils possèdent plus de surface et de meilleurs chemins pour la circulation de l'électricité.
Une équipe de chercheurs de l'Université du commerce de Harbin a franchi une étape significative vers la résolution de ce problème en créant un nouveau type de supercondensateur qui combine deux matériaux distincts pour maximiser les performances. Ils se sont concentrés sur une électrode positive composée d'un composé appelé ferrite de zinc, connu pour sa capacité à stocker l'énergie mais qui souffre souvent d'une faible conductivité électrique. Pour corriger cela, l'équipe a modifié le matériau en ajoutant une petite quantité d'un élément de terres rares appelé lanthane. Ce processus, connu sous le nom de dopage, n'a pas été fait au hasard ; les chercheurs ont soigneusement contrôlé le moment et la quantité de lanthane ajouté pour trouver l'équilibre parfait. Ils ont découvert que le traitement du matériau pendant douze heures avec une teneur en lanthane de 0,5 % créait une structure unique, semblable à des flocons. Sous un microscope, ce matériau ressemblait à une pile de feuilles minces et rugueuses plutôt qu'à des sphères lisses. Cette forme rugueuse et stratifiée est cruciale car elle offre une vaste surface pour que les réactions chimiques se produisent, donnant ainsi plus de « places de stationnement » pour la charge électrique.
Les chercheurs ont également conçu le côté négatif du dispositif en utilisant des nanotubes de carbone, qui sont des tubes creux incroyablement fins faits de carbone. Bien que ces tubes soient naturellement solides et conducteurs, l'équipe les a traités pour les rendre hydrophiles, c'est-à-dire qu'ils « aiment » l'eau. En ajoutant des groupes chimiques spécifiques à la surface des tubes, ils ont veillé à ce que l'électrolyte liquide — la solution d'eau salée qui transporte les ions entre les électrodes — puisse mouiller parfaitement le matériau. Cela réduit la résistance et permet aux ions de se déplacer librement et rapidement. Lorsque ces deux matériaux optimisés ont été associés dans un supercondensateur asymétrique, les résultats ont été impressionnants. Le dispositif a démontré une grande capacité de stockage d'énergie, l'électrode positive seule retenant 426 unités de capacitance par gramme. Plus important encore, le mécanisme de stockage d'énergie était dominé par des réactions de surface plutôt que par une diffusion lente, ce qui signifie que le dispositif pouvait se charger et se décharger rapidement sans perdre beaucoup d'efficacité.
La performance de ce nouveau dispositif a été testée dans des conditions rigoureuses pour voir comment il se comportait au fil du temps et sous l'effet du stress. Lorsque le supercondensateur était chargé et déchargé à des vitesses élevées, il maintenait une forte capacité de stockage d'énergie, prouvant que le mécanisme contrôlé par la surface fonctionnait comme prévu. Même après avoir subi dix mille cycles à un courant élevé, le dispositif conservait plus de 83 % de sa capacité initiale, indiquant que les matériaux étaient stables et durables. Le dispositif final a surpassé de nombreux systèmes de stockage d'énergie similaires en termes de densité d'énergie, qui est la quantité de puissance qu'il peut contenir, et de densité de puissance, qui est la rapidité avec laquelle il peut libérer cette puissance. En combinant avec succès une électrode positive de ferrite de zinc dopée au lanthane et des nanotubes de carbone hydrophiles, les chercheurs ont créé un modèle pour une nouvelle génération de supercondensateurs qui pourraient un jour alimenter les véhicules électriques et l'électronique portable avec plus de rapidité et d'efficacité que les technologies actuelles le permettent.
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