In-situ self-doping of Lotus seed pod-based hierarchical porous carbon for high-performance supercapacitors

Imaginez le réseau énergétique mondial comme une ville géante et bouillonnante. Nous avons des panneaux solaires et des éoliennes qui sont comme des voisins enthousiastes mais imprévisibles ; parfois, ils produisent un déluge d'énergie, et parfois, ils font la sieste. Pour maintenir les lumières allumées, nous avons besoin de dispositifs de stockage d'énergie qui peuvent agir comme une éponge super efficace : absorber l'électricité instantanément lorsqu'elle est disponible et la presser tout aussi vite lorsque le réseau a besoin d'un coup de pouce. C'est le travail des supercondensateurs. Considérez-les comme les sprinteurs du monde de l'énergie. Contrairement aux batteries, qui sont des coureurs de fond capables de stocker beaucoup d'énergie mais qui mettent longtemps à se charger et à se décharger, les supercondensateurs peuvent se charger en quelques secondes et durer des centaines de milliers de cycles. Cependant, il y a un piège : fabriquer l'« éponge » qui contient cette énergie implique généralement de déterrer d'anciens combustibles fossiles (comme le charbon) et de les cuire à des températures brûlantes, ce qui est sale et non durable. Les scientifiques sont à la recherche d'une meilleure façon de fabriquer ces éponges en utilisant des choses qui repoussent, comme les plantes, mais ils ont besoin que ces éponges à base de plantes soient tout aussi rapides et robustes que celles issues des combustibles fossiles.

C'est ici qu'une équipe de chercheurs de l'Université de technologie automobile de Hubei intervient avec une solution ingénieuse inspirée par la nature. Ils ont décidé d'arrêter de regarder le charbon pour regarder plutôt ce que vous pourriez trouver dans un étang : la gousse de lotus. Vous savez, ces coupes brunes en forme de nid d'abeille qui contiennent les graines de lotus ? Les chercheurs ont réalisé que ces gousses sont essentiellement l'échafaudage préfabriqué par la nature pour le stockage de l'énergie. À l'intérieur de la gousse, il y a un réseau naturel de tubes creux et de petites chambres, semblable à un rayon de miel. Au lieu d'essayer de construire une structure complexe à partir de zéro, l'équipe a décidé d'utiliser cette architecture naturelle comme un modèle.

L'équipe a pris ces gousses de lotus séchées, les a broyées en poudre et leur a donné un « bain chimique » en utilisant une substance appelée KOH (hydroxyde de potassium) avant de les chauffer. Ce processus est comparable à un sculpteur de haute technologie ciselant un bloc de pierre. La chaleur transforme le matériau végétal en carbone, tandis que le bain chimique grignote la surface pour créer un labyrinthe de minuscules trous. Mais voici le tour de magie : la gousse de lotus contient naturellement des atomes d'azote et de soufre. Au lieu d'ajouter ces éléments de l'extérieur (ce qui peut être désordonné et irrégulier), le traitement thermique a cuit ces atomes directement dans la structure de carbone elle-même. Les chercheurs appellent cela le « dopage de soi in situ ». C'est comme assaisonner un gâteau en faisant pousser les épices à l'intérieur de la pâte plutôt que de les saupoudrer sur le dessus plus tard ; la saveur est parfaitement mélangée partout.

Le résultat de ce processus est un matériau qu'ils ont nommé LDCC-5. Lorsqu'ils l'ont testé, le matériau s'est comporté comme un champion. Dans un cadre de laboratoire, il pouvait stocker une quantité massive de charge électrique — 811,8 F/g (farads par gramme) à un courant de 0,5 A/g. Pour donner une idée, il a conservé son énergie incroyablement bien, gardant 97 % de sa capacité même après avoir été chargé et déchargé 10 000 fois à grande vitesse. Lorsqu'ils ont construit un dispositif de supercondensateur complet utilisant ce matériau, il a délivré une densité d'énergie de 49,98 Wh/kg pour une densité de puissance de 399,84 W/kg, et il a conservé 89 % de sa puissance après 10 000 cycles.

Pourquoi cela a-t-il si bien fonctionné ? Les chercheurs ont découvert que la forme en nid d'abeille naturelle de la gousse de lotus a survécu au processus de cuisson, créant de larges « autoroutes » (macropores) qui permettent aux ions (les minuscules particules chargées transportant l'énergie) de circuler rapidement à l'intérieur et à l'extérieur. Le bain chimique a ensuite sculpté des millions de minuscules « places de parking » (micropores) sur les parois de ces autoroutes pour stocker l'énergie. Parce que l'azote et le soufre étaient cuits directement dans le carbone, la surface est devenue super-amicale à l'eau (hydrophile), ce qui signifie que l'électrolyte liquide peut mouiller chaque recoin et chaque interstice instantanément. Cette combinaison d'un système d'autoroutes naturel, d'un nombre massif de places de parking et d'une surface qui aime être mouillée a permis au matériau de surmonter le compromis habituel où l'on doit choisir entre stocker beaucoup d'énergie ou charger très rapidement. Cette étude suggère qu'en utilisant des déchets agricoles comme les gousses de lotus et en laissant la propre chimie de la nature faire le gros du travail, nous pouvons construire des supercondensateurs qui sont non seulement performants, mais aussi peu coûteux, verts et durables.