Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs

Electrolytes "intelligents" pour supercondensateurs

Electrolytes "intelligents" pour supercondensateurs
© Nature Materials/Travaux des chercheurs


Un groupe de chercheurs membres du RS2E (ICGM, Montpellier), de l’université de Bordeaux et de l’université de Graz s’est intéressé à l’impact du design de l’électrolyte sur les performances des supercondensateurs. Leur étude, publiée en novembre 2016 dans Nature Materials, se démarque des travaux ordinairement menés sur l’amélioration des capacités des supercondasenteurs qui se concentrent sur les matériaux d’électrodes. Ici, en ajoutant des fonctions rédox à la fois au cation et à l’anion de l’électrolyte, les chercheurs ont réussi à former des liquides ioniques birédox.

Une approche centrée sur l’électrolyte

Dans le domaine des batteries (Li-air ou Li-ion) et dans les supercondensateurs, il existe déjà des approches pour ajouter comme additif dans la solution des molécules rédox avec des objectifs très différents selon l’application. Pour les batteries Li-air, l’objectif est d’améliorer la cinétique de charge ou de décharge. Dans le Li-ion, il s’agit d’éviter la dégradation de l’électrolyte. Concernant les supercondensateurs, augmenter les capacités en utilisant des molécules rédox dans l’électrolyte avait déjà été abordé. L’originalité de cette étude est d’avoir fonctionnalisé l’électrolyte à la fois par une fonction réductrice et par une fonction oxydante (pour que chacun réagisse à leur électrode respective), cela lui ajoute une fonction supplémentaire au-delà de conduire les ions. On peut dire que c’est un électrolyte « intelligent ».

Le travail s’est appuyé sur des collaborations informelles de passionnés d’électrochimie et dans une continuité de collaborations de longues dates entre l’université de Graz et l’université de Bordeaux. S’agissant de travail exploratoire, le seul appui des chercheurs était une thèse financée par le Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche (Dr. Eléonore Mourad) et une thèse de l’ANR Flexcap (Dr. Laura Coustan), toutes deux du laboratoire ICGM (Montpellier). Les expériences ont été réalisées grâce aux fonds propres du laboratoire.

© Nature Materials / Travaux des chercheurs
Fig. 1 : Exemple de rétention de capacitance du supercondensateurs avec électrolytes biredox (rouge) vs. supercondensateurs classiques (bleu) © Nature Materials/Travaux des chercheurs

Un rôle inédit a ainsi été conféré aux électrolytes à base de liquides ioniques pour supercondensateurs. Par assemblage moléculaire contrôlé, des fonctions de stockage, dites rédox, ont été ajoutées sur les ions du liquide ionique. Ces liquides ioniques rédox permettent de stocker de l’énergie électrique en plus de celle stockée dans le matériau d’électrode. Une augmentation de 100 à 300 % de la capacité spécifique dans les supercondensateurs a été mesurée (fig. 1). Cette approche est en rupture car l’amélioration des performances n’est plus limitée à la formulation de nouveaux matériaux d’électrodes : l’électrolyte participe activement au stockage.

L’électrolyte « intelligent » redox : le début d’une grande famille ?

Ce faisant, les scientifiques ont fait apparaitre un nouveau concept d’électrolyte, et revalorisé son rôle dans les performances des supercondensateurs (fig. 2). Une augmentation drastique de la capacité spécifique dans les supercondensateurs a été mesurée alors que c’est justement leur point faible par rapport aux batteries ! Les capacités des pseudocondensateurs ont même été approchées mais en utilisant des matériaux d’électrodes qui sont ceux des condensateurs à double couches, des carbones poreux !

© Nature Materials / Travaux des chercheurs
Fig. 2 : Comparaison dans un diagramme de Ragone de supercondensateurs utilisant divers électrolytes, on voit bien en rouge l'augmentation obtenue en termes d'énergie spécifique © Nature Materials/Travaux des chercheurs

Ce concept présente un fort potentiel, car les chercheurs sont maintenant en mesure d’utiliser l’électrolyte pour accroître la quantité d’énergie stockée ! Mais ce concept d’électrolyte intelligent n’est pas limité à cette seule fonction énergétique : les chercheurs s’intéressent à présent à des électrolytes qui se solidifieraient lorsque le dispositif est chargé, ce qui limite les risques de fuites de liquides et maintient plus longtemps le dispositif à l’état chargé lorsqu’il n’est pas utilisé. Cette idée est un exemple parmi d’autres car il existe un grand nombre de fonctions sensibles à des stimuli variés : température, contrainte mécanique, lumière...  Ces électrolytes « intelligents » vont ainsi permettre de fabuleuses ouvertures scientifiques et technologiques pour lesquelles seule l’imagination des chercheurs et des ingénieurs sera la limite.

Pour s’orienter sur le chemin des applications concrètes, il reste encore à obtenir des liquides ioniques birédox à bas coûts et à pouvoir les intégrer dans des dispositifs de type 18650 (format utilisé dans l’industrie) afin de pouvoir conclure de leur possible impact industriel.

 

Références :
Biredox ionic liquids with solid-like redox density in the liquid state for high-energy supercapacitors
Eléonore Mourad, Laura Coustan, Pierre Lannelongue, Dodzi Zigah, Ahmad Mehdi, André Vioux, Stefan A. Freunberger, Frédéric Favier and Olivier Fontaine
Nature Materials, 28/11/2016, DOI : 10.1038/NMAT4808
www.dx.doi.org/10.1038/NMAT4808