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

Supercondensateurs redox : un matériau très prometteur à l’étude

Supercondensateurs redox : un matériau très prometteur à l’étude
Des chercheurs du RS2E se sont joints à une équipe internationale pour tester les limites d'un carbure métallique. Le but? Optimiser les performances des supercondensateurs

Au sein du RS2E, la thématique du stockage capacitif vise à concevoir de nouveaux matériaux et architectures d’électrodes pour améliorer la densité d’énergie des supercondensateurs. C’est dans ce cadre que des chercheurs du réseau, Zifeng Lin (doctorant), Pierre-Louis Taberna et Patrice Simon (laboratoire CIRIMAT, CNRS-Université de Toulouse) se sont joints à une équipe internationale des universités de Drexel (USA) et Bar-Ilan (Israël) pour travailler sur un matériau prometteur, le Ti3C2 de la famille des MXene. Des électrodes micro-structurées de ce carbure métallique ont montré des performances électrochimiques très intéressantes, laissant entrevoir des possibilités nouvelles pour le développement de supercondensateurs plus performants. Les travaux du groupe de scientifiques sont publiés cette semaine dans la prestigieuse revue scientifique Nature Energy.

Batteries, supercondensateurs, pseudocondensateurs…Quelles différences ?

Dans la famille des technologies de stockage et conversion électrochimique de l’énergie, les supercondensateurs peuvent paraitre méconnus face aux batteries, plus couramment utilisées dans notre vie quotidienne. Les batteries possèdent une grande densité d’énergie, qui correspond à la quantité d’énergie stockée pour un volume ou un poids donné, ce qui permet par exemple d’alimenter des appareils électroniques portables comme les smartphones, pendant plusieurs jours. Les supercondensateurs, en revanche, stockent moins d’énergie que les batteries mais peuvent se décharger ou se recharger plus rapidement. Pour augmenter leur densité d’énergie, une alternative au carbone poreux classiquement utilisé dans les supercondensateurs consiste à utiliser des matériaux dits pseudocapacitifs. Ces derniers stockent l’énergie grâce à des réactions d’oxydation/réduction rapides limitées à la surface.

Le carbure métallique 2D MXene Ti3C2Tx

La recherche dans le domaine du stockage capacitif s’attache donc notamment à élaborer des nouveaux matériaux possédant des capacités exaltées. L’équipe du CIRIMAT s’est intéressée à un type de matériau particulier, le Ti3C2, un carbure de métallique de la famille des MXene. La structure 2-Dimensions (2D) de ce matériau le rend particulièrement intéressant pour le stockage capacitif puisqu’il offre une surface accessible élevée aux ions de l’électrolyte. La difficulté est de maintenir l’accès à cette surface de l’électrolyte lors du fonctionnement du système : c’est ce que les chercheurs ont réalisé, en travaillant sur l’architecture des électrodes de MXène.

Figure 1 : a) structure du MXene Ti3C2 en feuillets montrant : i) les molécules d’eau intercalées entres les feuillets délaminés de Ti3C2 ii) le cœur conducteur de carbure. Les réactions d’oxydation-réduction ont lieu sur les atomes de métal (M=Ti) situés en surface b) Electrode en architecture en « feuillets » empilés pré-intercalés avec des ions de l’électrolyte; c) Electrode macroporeuse obtenue à partir de microsphères de polymères qui sont ensuite dissoutes. Dans b) et c), les flèches noires correspondent au trajet des ions.

Au-delà du matériau : l’importance de l’architecture de l’électrode

Pour améliorer les performances du matériau, les chercheurs ont utilisé différentes architectures d’électrodes. L’une d’elles a été réalisée en pré-intercalant les ions d’un électrolyte entre les feuillets de Ti3C2 par simple échange ionique. Des films de 1 à 3 micromètres d’épaisseur pour les plus fins, et jusqu’à 40 micromètres pour les plus épais, ont été préparés. Les résultats obtenus sont extrêmement prometteurs, avec une capacité volumique pouvant aller jusqu’à 1500F cm-3, un record jusque-là détenu par un autre matériau, le RuO2. La capacité surface est quant à elle supérieure à 2 F par cm². Une autre architecture possédant des pores micrométriques sphériques de 1 à 2 micromètres de diamètre, a permis quant à elle d’atteindre des vitesses de décharge supérieures à celles des supercondensateurs à base de carbone.

Vers des supercondensateurs plus performants

Les mécanismes pseudocapacitifs propres aux supercondensateurs redox rendent possible de stocker plus d’énergie que les supercondensateurs standards, avec des cycles de charge/décharge plus rapides que les technologies de batteries actuelles. La contrainte au développement de cette technologie résidait principalement dans le peu de matériaux capacitifs disponibles, capables de combiner grande capacité et forte puissance. Les résultats obtenus avec le MXene Ti3C2 permettent d’entrevoir une avancée significative sur ce terrain : la possibilité d’utiliser des matériaux pseudocapacitifs combinant puissance et énergie. Le défi à relever consiste maintenant à dupliquer ces performances dans des électrolytes non aqueux offrant des tensions de cellules plus élevées que les électrolytes aqueux.

Références : 

Ultrahigh-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides

M.R. Lukatskaya, S. Kota, Z. Lin, M-Q. Zhao, N. Shpigel, M.D. Levi, J. Halim, P-L. Taberna, M.W. Barsoum, P. Simon, Y. Gogosti

Nature Energy, 10/07/2017, DOI : 10.1038/nenergy.2017.105

 

En savoir plus sur les travaux du RS2E sur le stockage capacitif : http://www.energie-rs2e.com/fr/page/stockage-capacitif