Les condensateurs sont principalement des dispositifs de stockage de charge, mais comparés aux batteries, ils ont une capacité de stockage de charge bien moindre. Cependant, leur durée de vie est bien supérieure à celle des batteries, le principe de base du fonctionnement des condensateurs est le même bien qu'ils soient divisés en différentes catégories en fonction de leur construction interne. Le condensateur au graphène est un type de supercondensateur doté de couches de graphène qui assurent une circulation beaucoup plus libre des électrons et permettent une dissipation thermique efficace.
Contour:
- Que sont les supercondensateurs ?
- Fonctionnement des supercondensateurs
- Supercondensateur graphène
- Électrodes à base de graphène dans les supercondensateurs
- Performances des supercondensateurs à base de graphène
- Conclusion
Que sont les supercondensateurs ?
Pour comprendre le condensateur au graphène, il est nécessaire d'avoir des connaissances sur les supercondensateurs, car le condensateur au graphène entre également dans la catégorie des supercondensateurs. Contrairement aux condensateurs généraux, les condensateurs Supper ont une construction interne différente, ce qui affecte également leurs propriétés. Le supercondensateur comporte des électrolytes séparés par un milieu isolant et des électrodes de charbon actif qui sont en contact avec l'électrolyte. L'électrolyte est principalement de l'acide sulfurique ou de l'oxyde de potassium, et le séparateur est généralement du Kapton :
Fonctionnement des supercondensateurs
Lorsqu'un supercondensateur n'est connecté à aucune source d'alimentation, les charges, quelle que soit leur polarité, sont dispersées à travers l'électrolyte. Lorsque la source d'alimentation est connectée à travers celui-ci, le courant commence à circuler du condensateur et, à mesure que l'anode reçoit la charge positive, tout les ions négatifs de l'électrolyte ont tendance à se déplacer vers l'électrode anodique. Alors que la cathode se charge négativement et que tous les ions positifs se déplacent vers la cathode :
Cette force d'attraction entre l'électrode et l'électrolyte est la force électrostatique et cette attraction des ions vers les électrodes provoque la formation de la double couche électrique. Cette couche est responsable du stockage des charges et, en raison de la formation de cette couche, les supercondensateurs sont également appelés condensateurs électriques à double couche.
C'est ainsi que le supercondensateur est chargé et lorsqu'une charge est connectée aux bornes du supercondensateur, la charge sur les électrodes commence à s'écouler de la charge. De cette façon, les deux électrodes commencent à perdre leur charge car elles sont incapables d’attirer les charges et, par conséquent, lorsque toutes les charges quittent les électrodes, le condensateur est déchargé.
Alors maintenant, les ions sont à nouveau dispersés à travers les électrolytes, et c’est ainsi que fonctionne un simple supercondensateur.
Supercondensateur graphène
Le graphène provient du graphite qui se trouve principalement à l'intérieur des crayons et est une électrode de carbone ayant le même nombre d'atomes, mais ceux-ci sont disposés différemment. Contrairement au graphite, le graphène possède une couche bidimensionnelle à un seul atome disposée en forme de nid d’abeille hexagonale. Cette structure permet aux atomes de créer de fortes liaisons covalentes, ce qui lui confère une résistance à la traction plus élevée et une grande flexibilité. Grâce à ces propriétés, le graphène permet aux électrons de se déplacer librement et d’avoir une conductivité électrique plus élevée.
Étant donné que les supercondensateurs ont des distances plus courtes entre les plaques, ce qui leur permet de stocker plus de charge statique, le graphène possède une couche très fine de la taille d'un atome par rapport à la couche d'aluminium. Ainsi, le condensateur au graphène a une surface nettement plus grande, ce qui lui permet de stocker plus d’énergie par rapport aux autres supercondensateurs.
Électrodes à base de graphène dans les supercondensateurs
Le graphène, comme mentionné ci-dessus, offre une plus grande surface qui améliore la capacité du condensateur à stocker la charge. Différentes techniques sont utilisées pour la fabrication d'électrodes utilisant du graphène et deux d'entre elles sont :
Fabrication par mousse de graphène
L'électrode de graphène créée à l'aide de la mousse de graphène fournit des électrodes à conductivité plus élevée, légères et flexibles dont la surface peut être étendue jusqu'à plusieurs cm. 2 et la hauteur jusqu'à plusieurs millimètres. La mousse de graphène est créée par la technique de dépôt chimique en phase vapeur en la faisant pousser sur une mousse de nickel ou de cuivre. Lorsqu'une mousse de graphène est créée sur de la mousse de cuivre, elle produit une couche de graphène de haute qualité, mais la structure peut facilement s'effondrer lorsque le support métallique est retiré. Cependant, une mousse de nickel peut être utilisée pour créer une couche de graphène multicouche qui peut être soigneusement retirée du support métallique sans aucun dommage. De plus, de l’oxyde de graphène réduit peut également être formé à travers la mousse de nickel grâce à cette synthèse chimique. Certains additifs sont utilisés avec le graphène pour aider à atteindre une densité de puissance élevée et fournir des trajets plus courts pour les électrons et les ions, augmentant ainsi la vitesse des charges. Ces additifs peuvent être des oxydes métalliques, des polymères conducteurs et des hydroxydes métalliques, ce qui rend la fabrication d'électrodes à base de graphène moins coûteuse.
L'image ci-dessus illustre le processus de formation de la couche de graphène à l'aide de la méthode de dépôt chimique en phase vapeur.
Fabrication par écriture laser
La méthode d’écriture laser est comparativement moins coûteuse et produit du graphène poreux 3D en une seule étape en réduisant la technique de réduction de grandes surfaces. Dans cette méthode, une fine couche de graphène est d’abord déposée sur le modèle, puis le laser commercial irradie la couche d’oxyde de graphène. Lorsque la lumière laser arrive sur l’oxyde de graphène, elle crée un matériau conducteur poreux dans la zone d’exposition.
En conséquence, la surface des ions électrolytes est augmentée et la teneur en oxygène est considérablement réduite. Comme dans la méthode précédente, certains additifs peuvent être utilisés dans l'écriture laser directe : le substrat peut être un mélange d'oxyde de graphène et de polymère ou le substrat peut également être uniquement un polymère. Voici une image qui illustre le processus d’écriture laser directe :
Performances des supercondensateurs à base de graphène
Les condensateurs au graphène ont un transfert d'électrons et d'ions efficace, ce qui se traduit par une capacité gravimétrique et volumétrique élevée. De plus, ils présentent une stabilité de taux de cycle plus élevée et une capacité énergétique plus élevée.
Pour étudier les performances et le comportement de divers dispositifs de stockage d'énergie, un diagramme de Ragone est utilisé dans lequel la valeur de l'énergie spécifique (Wh/Kg) est tracée en fonction de la puissance spécifique (W/Kg). Le graphique utilise une échelle logarithmique pour les deux axes. L'axe des y mesure l'énergie spécifique, qui est la quantité d'énergie par unité de masse. L’axe des X mesure la densité de puissance, qui est le taux de fourniture d’énergie par unité de masse.
Un point du tracé de Ragone donne donc en d'autres termes la durée pendant laquelle l'énergie (par unité de masse) sur l'axe y peut être délivrée en puissance (par unité de masse) sur l'axe x, et ce temps ( en une heure) est donné comme le rapport entre les densités d’énergie et de puissance. Par la suite, les iso-courbes (délai de livraison constant) dans un tracé de Ragone sont des droites de pente unité. Le graphique Ragone ci-dessous montre l'énergie spécifique (Wh/Kg) par rapport à la puissance spécifique (W/Kg) pour divers appareils de stockage d'énergie :
Conclusion
Le condensateur au graphène est un type de supercapcateur doté d'électrodes en graphène provenant du graphite. Le graphène fournit une grande surface à l'électrolyte, ce qui entraîne une augmentation de la capacité et présente également un faible temps de charge. De plus, il existe différentes techniques pour créer des électrodes de graphène, dont deux : la mousse de graphène et l’écriture laser directe.