Une nouvelle méthode produit des nanofibres PEDOT avec une conductivité électrique améliorée et une surface accrue pour un meilleur stockage de charge.
Les chimistes de l’UCLA ont développé une nouvelle version texturée en forme de fourrure du PEDOT, un plastique conducteur couramment utilisé pour protéger l’électronique de l’électricité statique et dans des appareils tels que les cellules solaires et les écrans électrochromes. Cette forme innovante augmente considérablement la surface du matériau, lui permettant de stocker près de dix fois plus de charge électrique que le PEDOT standard. Lorsqu’il est utilisé dans un supercondensateur, il a également résisté à près de 100 000 cycles de charge. Cette avancée pourrait aider les supercondensateurs à jouer un rôle plus important dans le stockage de l’énergie à mesure que le monde évolue vers des sources d’énergie renouvelables et durables.
Les plastiques ont façonné notre monde moderne et transformé notre façon de vivre. Pendant des décennies, ils ont été principalement utilisés en électronique pour leurs excellentes propriétés isolantes. Cependant, dans les années 1970, des scientifiques ont découvert par hasard que certains plastiques peuvent également conduire l’électricité. Cette avancée a révolutionné le domaine et ouvert la voie à de nouvelles applications dans l’électronique et le stockage d’énergie.
L’un des plastiques électriquement conducteurs les plus utilisés aujourd’hui est le poly(3,4-éthylènedioxythiophène), communément appelé PEDOT. Ce matériau forme un film flexible et transparent qui est souvent appliqué sur des surfaces telles que des films photographiques et des composants électroniques pour empêcher l’accumulation statique. PEDOT est également utilisé dans les écrans tactiles, les cellules solaires organiques et les appareils électrochromes, comme les fenêtres intelligentes qui changent de transparence en appuyant simplement sur un bouton.
Malgré ses nombreuses applications, l’utilisation du PEDOT dans le stockage d’énergie a été limitée. Les formes commerciales de PEDOT ont généralement une faible conductivité électrique et une surface limitée, ce qui limite leur capacité à stocker des quantités importantes d’énergie.
Les chimistes de l’UCLA relèvent ces défis avec une méthode innovante pour contrôler la morphologie du PEDOT afin de cultiver des nanofibres avec précision. Ces nanofibres présentent une conductivité exceptionnelle et une surface étendue, deux éléments essentiels pour améliorer les capacités de stockage d’énergie du PEDOT. Cette approche, décrite dans un article publié dans Advanced Functional Materials, démontre le potentiel des nanofibres PEDOT pour les applications de supercondensateurs.
Super condensateurs vs batteries
Contrairement aux batteries, qui stockent de l’énergie par des réactions chimiques lentes, les supercondensateurs stockent et libèrent de l’énergie en accumulant une charge électrique à leur surface. Cela leur permet de se charger et de se décharger extrêmement rapidement, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant des rafales de puissance rapides, telles que les systèmes de freinage régénératif dans les véhicules hybrides et électriques et les flashs de caméra. De meilleurs supercondensateurs constituent donc une voie vers une réduction de la dépendance aux combustibles fossiles.
Le défi avec les supercondensateurs est cependant de créer des matériaux ayant une surface suffisante pour contenir de grandes quantités d’énergie. Les matériaux PEDOT traditionnels sont insuffisants à cet égard, ce qui limite leurs performances.
Les chimistes de l’UCLA ont produit le nouveau matériau grâce à un processus de croissance en phase vapeur unique pour créer des nanofibres PEDOT verticales. Ces nanofibres, ressemblant à de l’herbe dense poussant vers le haut, augmentent considérablement la surface du matériau, lui permettant de stocker plus d’énergie. En ajoutant une goutte de liquide contenant des nanofeuillets d’oxyde de graphène et du chlorure ferrique sur une feuille de graphite, les chercheurs ont exposé cet échantillon à une vapeur des molécules précurseurs qui ont finalement formé le polymère PEDOT. Au lieu de se développer en un film très fin et plat, le polymère s’est développé en une structure épaisse semblable à de la fourrure, augmentant considérablement la surface par rapport aux matériaux PEDOT conventionnels.
Les capacités exceptionnelles de stockage d’énergie
“La croissance verticale unique du matériau nous permet de créer des électrodes PEDOT qui stockent beaucoup plus d’énergie que le PEDOT traditionnel”, a déclaré l’auteur correspondant et scientifique des matériaux de l’UCLA, Maher El-Kady. “La charge électrique est stockée à la surface du matériau et les films PEDOT traditionnels n’ont pas suffisamment de surface pour contenir beaucoup de charge. Nous avons augmenté la surface du PEDOT et ainsi augmenté suffisamment sa capacité pour construire un supercondensateur.”
Les auteurs ont utilisé ces structures PEDOT pour fabriquer des supercondensateurs dotés d’une excellente capacité de stockage de charge et d’une stabilité de cycle extraordinaire, atteignant près de 100 000 cycles. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à des systèmes de stockage d’énergie plus efficaces, répondant directement aux défis mondiaux en matière d’énergies renouvelables et de durabilité.
“Un polymère est essentiellement une longue chaîne de molécules construites à partir de blocs plus courts appelés monomères”, a déclaré El-Kady. “Pensez-y comme à un collier fait de perles individuelles enfilées ensemble. On chauffe la forme liquide des monomères à l’intérieur d’une chambre. À mesure que les vapeurs montent, elles réagissent chimiquement lorsqu’elles entrent en contact avec la surface des nanofeuillets de graphène. Cette réaction provoque la liaison des monomères et la formation de nanofibres verticales. Ces nanofibres ont (a) une surface beaucoup plus élevée, ce qui signifie qu’elles peuvent stocker beaucoup plus d’énergie.”
Les résultats et durabilité record
Le nouveau matériel PEDOT a montré des résultats impressionnants, dépassant les attentes dans plusieurs domaines critiques. Sa conductivité est 100 fois supérieure à celle des produits PEDOT commerciaux, ce qui le rend beaucoup plus efficace pour le stockage des charges. Ce qui est encore plus remarquable, c’est que la surface électrochimiquement active de ces nanofibres PEDOT est quatre fois supérieure à celle du PEDOT traditionnel. Cette surface accrue est cruciale car elle permet de stocker beaucoup plus d’énergie dans le même volume de matériau, améliorant ainsi considérablement les performances des supercondensateurs.
Grâce au nouveau procédé, qui permet de faire croître une épaisse couche de nanofibres sur la feuille de graphène, ce matériau possède désormais l’une des capacités de stockage de charge les plus élevées pour le PEDOT signalées à ce jour — plus de 4 600 milliFarads par centimètre carré, soit près d’un ordre de grandeur supérieur au PEDOT conventionnel. De plus, le matériau est incroyablement durable, durant plus de 70 000 cycles de charge, des matériaux traditionnels bien plus durables. Ces avancées ouvrent la porte à des supercondensateurs non seulement plus rapides et plus efficaces, mais aussi plus durables, qualités essentielles pour l’industrie des énergies renouvelables.
“Les performances et la durabilité exceptionnelles de nos électrodes montrent un grand potentiel pour l’utilisation du graphène PEDOT dans les supercondensateurs qui peuvent aider notre société à répondre à nos besoins énergétiques”, a déclaré l’auteur correspondant Richard Kaner, professeur distingué de chimie et de science et ingénierie des matériaux à l’UCLA, dont l’équipe de recherche est à l’avant-garde de la recherche sur les polymères depuis plus de 37 ans. En tant que doctorant, Kaner a contribué à la découverte du plastique électriquement conducteur par ses conseillers Alan MacDiarmid et Alan Heeger, qui ont ensuite reçu un prix Nobel pour leurs travaux.
