Une nouvelle classe de supercondensateurs ultra-minuscules démontre des capacités de stockage d’énergie remarquables et une révolution potentielle dans les alimentations des appareils. Les chercheurs ont développé un supercondensateur ultra-mince qui dépasse tous les modèles actuellement disponibles dans le commerce en termes de capacité de stockage et de compacité. Sa conception combine des transistors à effet de champ avec des couches de bisulfure de molybdène et de graphène pour augmenter la capacité d'un impressionnant 3 000 % dans certaines conditions.
Des chercheurs du Département de physique instrumentale et appliquée (IAP) de l’Institut indien des sciences (IISc) ont conçu un nouveau type d’ultra-micro supercondensateur, un petit dispositif capable de stocker de grandes quantités de charge électrique. Il est plus petit et plus compact que les supercondensateurs existants et pourrait être utilisé dans des appareils allant des lampadaires aux appareils électroniques grand public, en passant par les véhicules électriques et les équipements médicaux.
Actuellement, la plupart de ces appareils fonctionnent sur batterie. Cependant, avec le temps, ces batteries perdent leur capacité à stocker de la charge et ont donc une durée de conservation limitée. Les condensateurs, de par leur conception, peuvent stocker une charge pendant de plus longues périodes. Par exemple, un condensateur fonctionnant à 5 volts fonctionnera toujours à la même tension dix ans plus tard. Mais contrairement aux batteries, les supercondensateurs ne peuvent pas être déchargés en continu, comme pour alimenter un téléphone portable.
Les supercondensateurs, quant à eux, combinent les avantages des batteries et des condensateurs et peuvent à la fois stocker et libérer de grandes quantités d’énergie, ce qui les rend populaires dans les appareils électroniques de nouvelle génération.
Dans l'étude, récemment publiée dans ACSE Energy Letters, les chercheurs ont créé leur supercondensateur en utilisant des transistors à effet de champ (FET) comme collecteurs de charges au lieu des électrodes métalliques utilisées dans les condensateurs existants. "L'utilisation de transistors à effet de champ comme électrodes dans les supercondensateurs constitue une nouvelle façon de régler la charge du condensateur", a déclaré Abha Misra, professeur à l'IAP et auteur correspondant de l'étude.
Innovations dans la conception des condensateurs
Les condensateurs de courant utilisent généralement des électrodes à base d'oxyde métallique, mais ils sont limités par une faible mobilité électronique. Misra et son équipe ont donc décidé de créer des transistors hybrides à effet de champ constitués d'une alternance de couches de bisulfure de molybdène (MoS2) et de graphène de quelques atomes d'épaisseur pour augmenter la mobilité électronique, puis connectés à des contacts en or. Un électrolyte en gel solide est utilisé entre deux électrodes FET pour construire un supercondensateur à semi-conducteurs. L'ensemble de la structure est construit sur un substrat silice/silicium.
"La conception est l'élément clé car vous intégrez deux systèmes, qui sont deux électrodes de transistor à effet de champ et un électrolyte gel (un milieu ionique), qui ont des capacités de charge différentes", a déclaré Misra. Vinod Panwar, l'un des principaux auteurs de l'étude et doctorant à l'IAP, a ajouté que fabriquer un tel dispositif pour obtenir toutes les propriétés souhaitables d'un transistor est un défi. Ces supercondensateurs étant si petits, ils ne peuvent pas être vus sans microscope, et le processus de fabrication nécessite une grande précision et une coordination œil-main.
Performances et projets futurs
Après la création du supercondensateur, les chercheurs ont mesuré la capacité électrochimique du dispositif, ou capacité de maintien de charge, en appliquant diverses tensions. Ils ont constaté que la capacité augmentait de 3 000 % sous certaines conditions. En comparaison, un condensateur contenant uniquement du MoS2 sans graphène n’a augmenté sa capacité que de 18 % dans les mêmes conditions.
À l’avenir, les chercheurs prévoient d’explorer si le remplacement du MoS2 par d’autres matériaux peut encore améliorer la capacité de stockage des supercondensateurs. Ils ont ajouté que leur supercondensateur est entièrement fonctionnel et peut être utilisé dans des dispositifs de stockage d'énergie tels que les batteries de véhicules électriques ou dans tout système miniaturisé grâce à une intégration sur puce. Ils envisagent également de breveter le supercondensateur.