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Les ions confinés stockent plus de charges dans les supercondensateurs

Les ions confinés stockent plus de charges dans les supercondensateurs
© Travail des chercheurs

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie passionnants mais souvent méconnus du grand public. Au même titre que les accumulateurs lithium-ion, ils font partie de la panoplie de solutions pour le stockage électrochimique de l’énergie. Permettant des vitesses de charge/décharge plus élevées, les supercondensateurs sont mieux adaptés pour certaines applications nécessitant de délivrer ou de récupérer de forts pics de puissance sur des temps courts.

Par exemple, ils sont utilisés commercialement pour alimenter des tournevis électriques qui se chargent en seulement 90 secondes !

 

             Dans un article paru le 29 octobre dans Nature Communications, une équipe du RS2E s’est attachée à expliquer une anomalie observée en 2008 : la performance surprenante des supercondensateurs à électrodes nanoporeuses. Il a été avancé, sans évidence expérimentale, que cette performance puisse être liée à l’effet du confinement des ions de l’électrolyte (leur « emprisonnement » dans l’électrode de carbone) au sein de pores sub-nanométriques suite à leur désolvatation partielle (perte d’une partie de leur(s) interaction(s) avec les molécules de solvant, facilitant ainsi leur accès à des pores de petites tailles).

© Travail des chercheurs

Les chercheurs du RS2E (collaboration étroite entre les laboratoires CIRIMAT de l’Université Paul Sabatier et PECSA de l’Université Pierre et Marie Curie) viennent de confirmer ce rôle clé du confinement des ions sur l’efficacité du stockage de charges électriques dans les supercondensateurs. Pour arriver à ce résultat ils n’ont pas utilisé une approche expérimentale mais théorique (simulation informatique) développée par l’équipe de modélisateurs de l’UPMC menée par Mathieu Salanne. L’originalité de ce modèle est d’utiliser la Dynamique Moléculaire pour simuler un système réaliste (électrodes de carbone nanoporeux et électrolyte). Cette approche a été récompensée par le prix « La Recherche », catégorie physique, remis le 22 octobre dernier.

 

© Travail des chercheursLa structure locale des électrodes observée grâce au modèle est très désordonnée : de nombreux sites d’adsorption (la fixation de molécules ou d’atomes sur une surface solide, ici l’électrode) de géométries et de tailles diverses peuvent être observés. L’équipe de chercheurs a ainsi déterminé 4 types de sites d’adsorption différents (par degré de confinement croissant : « edge », « plane », « hollow », « pocket », fig. 1) et a obtenu la répartition des ions entre ces différents sites, selon leur degré de confinement et les potentiels appliqués au système complet.

 

© Travail des chercheursLes scientifiques ont remarqué que l’adsorption des ions, en accord avec des publications précédentes, s’accompagne de leur désolvatation partielle (fig. 2). Cet effet de désolvatation est exacerbé en présence de solvant (ici l’acétonitrile) et lorsqu’un potentiel est appliqué au supercondensateur modélisé (fig. 3) : les ions sont alors plus nombreux à pouvoir accéder aux pores de petites tailles, ce qui augmente la quantité totale de charges stockées par le supercondensateur. Les résultats obtenus montrent que la charge stockée par le supercondensateur augmente lorsque les ions sont adsorbés dans des sites de haut confinement (fig. 4).

Les travaux publiés permettent bien aux chercheurs de valider l’hypothèse formulée en 2008 en montrant l’impact du degré de confinement sur le stockage de charges à la surface de l’électrode.

 

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              Cette étude permet d’entrevoir une méthode d’optimisation des supercondensateurs. Couplée à une méthode expérimentale permettant également d’observer ces systèmes au niveau microscopique (comme la Résonance Magnétique Nucléaire ou RMN), les simulations informatiques permettront de savoir, par exemple, comment optimiser un couple électrode/électrolyte.

Des études supplémentaires peuvent également conduire à la mise au point d’un modèle prédictif pour ce type de supercondensateurs à électrodes en carbone nanoporeux.

Cette nouvelle publication confirme le dynamisme et l’excellence de l’axe de recherche « stockage capacitif » du RS2E puisqu’elle fait suite à deux publications expérimentales dans Science et Nature Materials en 2013 et a une publication plus analytique dans Nature Materials en 2012.

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Financement

Ces travaux ont bénéficié d’un accès aux moyens de calcul du CINES, ils ont été financés par l’ANR (projet « Maicanano », coordonnée par Patrice Simon, 2010-2013) et l’European Research Council (Advanced Grant 2011 « Ionaces »).

Références

Highly confined ions store charge more efficiently in supercapacitors. Céline Merlet, Clarisse Péan, Benjamin Rotenberg, Paul Madden, Barbara Daffos, Pierre-Louis Taberna, Patrice Simon et Mathieu Salanne
Nature Communications, 29 Octobre 2013, DOI: 10.1038/ncomms3701.
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms3701