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Composés de graphène puissants pour des supercondensateurs hautement efficaces! "Super condensateurs au lieu de batteries". Une équipe dirigée par Roland Fischer, professeur de chimie inorganique et organométallique à l'Université technique de Munich (TUM) a réussi à développer un supercondensateur hautement efficace. La base du dispositif de stockage d'énergie est un nouveau matériau hybride graphène haute performance et durable dont les performances sont comparables à celles des piles et accumulateurs actuellement utilisés. Le stockage d'énergie est généralement associé aux piles et accumulateurs qui fournissent de l'énergie aux appareils électroniques. Cependant, en plus des batteries, de plus en plus de soi-disant supercondensateurs sont maintenant installés dans les ordinateurs portables, les appareils photo, les téléphones portables et les véhicules. Contrairement aux batteries, elles peuvent stocker très rapidement de grandes quantités d'énergie et les restituer tout aussi rapidement.
Super condensateurs au lieu de batteries
Par exemple, si un train freine en entrant en gare, les supercondensateurs stockent l'énergie et la rendent à nouveau disponible lorsque le train a besoin très rapidement de beaucoup d'énergie pour démarrer. Cependant, jusqu'à présent, un problème avec les supercondensateurs a été leur faible densité d'énergie. Alors que les batteries lithium-ion atteignent une densité d'énergie allant jusqu'à 265 wattheures par kilogramme (Wh / kg), les supercondensateurs précédents n'en fournissent qu'un dixième.
Le matériau durable apporte une performance maximale
Aujourd'hui, une équipe dirigée par le chimiste de TUM, Roland Fischer, a développé un nouveau matériau hybride de graphène haute performance et durable pour les supercondensateurs. Il sert d'électrode positive dans le réservoir d'énergie. Les chercheurs l'ont combiné avec une électrode négative déjà éprouvée à base de titane et de carbone. Le nouveau stockage d'énergie atteint non seulement une densité d'énergie allant jusqu'à 73 Wh / kg, ce qui correspond approximativement à la densité d'énergie d'une batterie nickel-hydrure métallique, mais avec sa densité de puissance de 16 kW / kg, il fournit également beaucoup plus que la plupart des autres supercondensateurs. Le secret du nouveau supercondensateur est la combinaison de différents matériaux - c'est pourquoi les chimistes appellent le supercondensateur «asymétrique».
Matériaux hybrides: la nature est le modèle
Les chercheurs utilisent une nouvelle stratégie pour surmonter les limites de performance des matériaux courants, appelés matériaux hybrides. "La nature regorge de matériaux hybrides hautement complexes et optimisés pour l'évolution - les os et les dents en sont des exemples, et la nature a optimisé leurs propriétés mécaniques telles que la dureté ou l'élasticité en combinant différents matériaux«Dit Roland Fischer.
L'équipe de recherche a transféré l'idée abstraite de combiner des matériaux de base aux supercondensateurs. Ils ont utilisé du graphène chimiquement modifié comme base de la nouvelle électrode positive de la mémoire et l'ont combiné avec un cadre métal-organique nanostructuré, un cadre dit organique métallique (MOF).
Puissant et stable
Les performances des hybrides de graphène sont décisives d'une part une grande surface spécifique et des tailles de pores contrôlables, d'autre part une conductivité électrique élevée. "La haute performance du matériau est basée sur la combinaison du MOF microporeux avec l'acide graphénique conducteur», Explique le premier auteur Jayaramulu Kolleboyina, ancien scientifique invité chez Roland Fischer.
Une grande surface est importante pour de bons supercondensateurs: un nombre proportionnellement élevé de porteurs de charge peut s'y accumuler dans un matériau - c'est le principe de base du stockage de l'énergie électrique.
Les chercheurs ont réussi à relier chimiquement l'acide graphénique aux MOF grâce à une conception intelligente des matériaux. Les MOF hybrides résultants ont de très grandes surfaces internes allant jusqu'à 900 mètres carrés par gramme et sont extrêmement efficaces en tant qu'électrode positive dans un supercondensateur.
Longue durée
Mais ce n'est pas le seul avantage du nouveau matériau. Si vous voulez un hybride chimiquement stable, vous avez besoin de liaisons solides entre les composants. Les liaisons sont les mêmes que celles entre les acides aminés dans les protéines, dit Fischer: "En fait, nous avons lié l'acide graphène à une amine MOF - cela crée une sorte de liaison peptidique."
La connexion stable entre les composants nanostructurés présente de grands avantages en termes de stabilité à long terme des condensateurs: plus la connexion est stable, plus les cycles de charge et de décharge sont possibles sans réduire significativement les performances.
À titre de comparaison: une batterie lithium-ion classique a une durée de vie d'environ 5000 cycles, la nouvelle cellule des chercheurs de TUM conserve près de 10.000% de sa capacité même après 90 cycles.
Réseau international d'experts
Fischer souligne l'importance de la collaboration internationale sans entrave que les chercheurs eux-mêmes ont conçue lors du développement du nouveau supercondensateur. L'équipe a constitué Jayaramulu Kolleboyina, un scientifique invité indien invité par la Fondation Alexander von Humboldt et qui dirige maintenant le département de chimie du nouvel Institut indien de technologie de Jammu.
"Notre équipe a également mis en réseau des experts en électrochimie et recherche sur les batteries à Barcelone et avec des spécialistes des dérivés du graphène de la République tchèque.«Dit Fischer. "En outre, des partenaires des États-Unis et d'Australie sont également impliqués. Cette grande coopération internationale nous amène encore à beaucoup attendre."
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Forse è meglio correggere la frase: "la nuova cella dei ricercatori TUM conserva quasi il 10.000 90 percento della sua capacità anche dopo XNUMX cicli."
dans : "la nuova cella dei ricercatori TUM conserva quasi il 90 % de la sua capacità anche dopo 10.000 cicli."