Une puce de silicium pour augmenter la puissance des batteries
Une meilleure autonomie des batteries sera utile aux utilisateurs de téléphones portables mais également pour d'autres applications mobiles, comme les véhicules autonomes. Les batteries sont encombrantes, mais des dispositifs de stockage électrochimique à haute performance peuvent leur apporter un supplément d'énergie et prolonger leur autonomie. Le projet IONACES, financé par l'UE, a étudié comment fonctionnent les supercondensateurs, des condensateurs à double couche électrochimique, et mis au point un procédé pour les intégrer sur des puces de silicium sous la forme de microsupercondensateurs, afin de les utiliser pour un grand nombre d'applications. «L'autonomie de la batterie d'une voiture électrique correspond à la durée pendant laquelle le véhicule peut se déplacer. Mais si le véhicule doit accélérer, par exemple, elle aura besoin pendant quelques secondes d'un supplément d'énergie, ce qu'un supercondensateur peut lui apporter», explique Patrice Simon, coordinateur du projet IONACES et professeur en science des matériaux à l'Université Paul Sabatier de Toulouse, en France. Alors qu'une batterie standard au lithium nécessite 2 à 3 heures pour être rechargée, un supercondensateur peut délivrer toute son énergie en une dizaine de secondes et être complètement rechargé dans un délai de quelques secondes à une minute. «Cela représente un apport d'énergie considérable», déclare le professeur Simon. Développer les connaissances fondamentales L'équipe a constaté que leur excellentes performances, qui ne sont à ce jour pas bien comprises, sont dues à l'absorption réversible d'ions dans de minuscules pores d'une taille inférieure à un nanomètre situés dans les électrodes de carbone poreux. Les supercondensateurs stockent la charge en accumulant les ions positifs et négatifs dans les poudres de carbone poreux positives et négatives qui fonctionnent comme des électrodes. «Pour la charge, vous collez des ions sur la surface du carbone, puis vous les retirez pour la décharge», explique le professeur Simon. La surface de la paroi des pores augmente la surface totale, qui peut être supérieure d'un facteur 1 000 à une surface de carbone lisse. Cela augmente considérablement la quantité d'énergie stockée. Jouer sur la taille des pores du carbone La taille des pores est également importante. «Nous avons pu réduire le temps de charge et de décharge des supercondensateurs en jouant simplement sur la taille des pores», explique le professeur Simon. «En réduisant à moins d'un nanomètre la taille des pores, on augmente considérablement le nombre d'ions pouvant être absorbés.» Par le passé, les chercheurs pouvaient réduire la taille des pores à moins de deux nanomètres, mais ils étaient incapables de concevoir des matériaux en carbone dotés de pores d'une taille précise. L'équipe d'IONACES a atteint cet objectif avec une méthode différente de préparation des carbones, en plaçant des micropoudres de grains de carbure de titane de moins de 10 microns de diamètre dans une atmosphère de chlore. Cette exposition élimine le titane pour ne laisser qu'un carbone poreux. Avec ce procédé, «si vous contrôlez la température de chloruration, vous pouvez contrôler de façon très précise la taille des pores dans le carbone», fait remarquer le professeur Simon. Des microsupercondensateurs La conception de microsupercondensateurs pouvant être placés sur une puce de silicium a nécessité quatre ans d'efforts à l'équipe. «Pour déposer sur la puce une couche de carbure de titane, nous avons utilisé des techniques de projection avant de procéder à la chloruration», explique le professeur Simon. «L'astuce était de préserver l'intégrité mécanique du film de carbone sur la puce au terme de la chloruration. Nous avons finalement pu le faire en effectuant une chloruration partielle qui n'augmente pas l'épaisseur de la couche sur la puce.» Une retombée de cette recherche est l'adaptation de la technique pour produire de l'eau potable en éliminant le sodium et le chlore contenus dans l'eau de mer. L'équipe du projet a breveté ce procédé, qui pourra être utilisé par les usines de dessalement.
Mots‑clés
IONACES, matériaux, énergie, nanotechnologies, autonomie des batteries, dessalement
