"Des micro-supercondensateurs au graphène pour de l’énergie sur une puce électronique" par le Dr Mae Wan Ho

Rapport de l’ISIS en date du 08/07/2013
Une version entièrement illustrée et référencée de ce rapport intitulé Graphene Micro-Supercapacitors for On-Chip Energy est affiché et accessible par les membres de l’ISIS sur le site http://www.i-sis.org.uk/Graphene_Micro-Supercapacitors_for_On-Chip_Energy_Store.php ; elle est par ailleurs disponible en téléchargement ici
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Le stockage d’énergie sur une puce compacte est nécessaire pour la miniaturisation des dispositifs électroniques

La miniaturisation rapide des appareils électroniques est limitée par le manque de possibilités de stockage d’énergie sur un circuit intégré électronique compact ou puce électronique, pour compléter ou remplacer les piles. Le carbone est un favori évident en termes de matériel pour la fabrication de micro-supercondensateurs qui pourraient faire l’affaire, en particulier le graphène, un cristal d’atomes de carbone, mono-couche et bidimensionnel, dont les remarquables propriétés, électroniques et autres, ont suscité une excitation frénétique pendant près d’une décennie ( voir [1] ] Graphene & New Age of Carbon, SiS 59) *.
* Version en français "Le graphène et le nouvel âge du carbone" par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article326
Deux chimistes de l’Université de Californie à Los Angeles, Maher El-kady et Richard Kaner, ont produit un éventail impressionnant de prototypes de micro-supercondensateurs à base de graphène en utilisant un graveur laser DVD basique et de consommation courante (voir Figure 1). Ils ont également constaté que la miniaturisation d’un dispositif à l’échelle du micron se traduit par un renforcement de la capacité de charge de stockage et une bonne performance, ce qui donne une densité de puissance volumique d’environ 200 W cm-3, la plus élevée obtenue pour dans le domaine de la technologie des supercondensateurs.
Le procédé est aisément adaptable et les dispositifs peuvent être effectués sur les substrats à un coût très compétitif par rapport aux méthodes traditionnelles de microfabrication. Les dispositifs sont imprimés sur un substrat flexible pour permettre un usage électronique avec une bonne flexibilité et ils peuvent être intégrés dans les systèmes mécaniques microélectrochimiques, ou en complément des semi-conducteurs d’oxydes métalliques sur une seule puce électronique [2].
Figure 1 - Un réseau de plus de 100 micro-superconsensateurs fabriqué sur un disque souple de la taille d’un DVD, à l’aide d’un graveur laser d’usage courant

Un graveur de DVD de qualité courante fait l’affaire

La véritable et géniale originalité du travail réalisé est l’utilisation d’une technologie simple et commune, ainsi que des matériaux très bon marché, comme El-kady, un étudiant diplômé et auteur principal du rapport, l’a expliqué [3] : « Les méthodes traditionnelles pour la fabrication de micro-supercondensateurs impliquent des techniques lithographiques très coûteuses en main-d’œuvre qui se sont avérées difficiles d’application pour la construction de dispositifs rentables, limitant ainsi leur fabrication à usage commercial. Au lieu de cela, nous avons utilisé un graveur de DVD LightScribe de consommation courante pour produire des micro-superprocesseurs à base de graphène sur de grandes surfaces, à un coût très faible par rapport aux appareils traditionnels. Grâce à cette technique, nous avons été en mesure de produire plus de 100 micro-supercondensateurs sur un seul disque en moins de 30 minutes, en utilisant des matériaux peu coûteux ».
El-Kady et son superviseur Kaner ont également utilisé un nouveau design. Au lieu de couches empilées pour utiliser le graphène comme électrodes, comme une sorte de sandwich, ils ont gravé les électrodes côte à côte dans un modèle interdigité avec des entrecroisements. Ceci permet de maximaliser la surface accessible disponible pour chacune des deux électrodes, tout en réduisant le trajet des ions chargés dans l’électrolyte, nécessaire pour leur diffusion.
En conséquence, les nouveaux supercondensateurs ont une plus grande capacité de charge électrique ainsi qu’une capacité de débit que leurs homologues empilés. Fait intéressant, les chercheurs ont constaté que, en plaçant plusieurs électrodes par unité de surface, ils ont stimulé la capacité des micro-supercondensateurs pour stocker encore plus de charge.
Pour réaliser les micro-supercondensateurs selon le motif choisi en réseau plan, les chercheurs ont collé une couche de matière plastique sur la surface d’un disque DVD, et revêtu la matière plastique d’une couche d’oxyde de graphite. Puis ils ont simplement inséré le disque ainsi revêtu dans un lecteur optique disponible dans le commerce, et utilisé pour l’étiquetage des DVD ; ils ont mis à profit le lecteur laser pour créer le motif interdigité.
La gravure au laser est si précise qu’aucun des pointes entrelacées des deux électrodes ne touche l’autre, jusqu’à l’utilisation de 16 micro-électrodes (8 positives et 8 négatives). Ceci était important, sinon le dispositif aurait provoqué un court-circuit du condensateur. L’oxyde de graphène non consommé (taches brunes) fait commodément office d’isolant, tandis que le graphène (zones noires) agit à la fois comme électrode et comme collecteur de courant (Figure 2).
Figure 2 - Un tableau de trois microcondensateurs avec (de gauche à droite) : des dispositifs à 4, 8 et 16 électrodes interdigitées sur un substrat flexible.
L’action laser était simple : Kaner et El-Kady avaient précédemment constaté que l’oxyde de graphène, lorsqu’il est exposé à la lumière, est converti en graphène, ce qui est similaire à ce qui se passe avec la technique ‘LightScrib’ pour étiqueter le DVD ; la surface du disque est recouverte d’un colorant réactif qui change de couleur lors d’une exposition à la lumière laser. Ainsi, le lecteur brûle le modèle informatique conçu sur le film d’oxyde de graphite pour produire les circuits de graphène souhaités.

Des dispositifs qui surpassent les microcondensateurs commercialisés

Dans une série complète de tests [2], les chercheurs ont montré que leurs nouveaux micro-supercondensateurs surpassent à la fois un microcondensateur de type sandwich, ainsi qu’un microcondensateur commercial, pour les durées de capacité de stockage et de temps de chargement / déchargement.
Les micro-supercondensateurs présentent aussi une excellente stabilité en cours de cyclage, ne perdant que 4% de leur capacité initiale au bout de plus de 10.000 cycles de charge et de décharge. Cela leur donne un avantage important sur les micro-batteries qui ont une durée de vie plus courte et qui pourraient poser un problème majeur lorsqu’elles sont incorporées dans des structures permanentes, telles que les implants biomédicaux, les étiquettes d’identification actives par radiofréquence et les micro-capteurs intégrés, pour lesquels aucun entretien ou leur remplacement ne sont possibles..
Une importante mesure de la qualité d’un condensateur est la constante de temps RC (en secondes), égale au produit de la résistance du circuit (en ohms) et la capacité électrique du circuit (en farads), et est le temps nécessaire pour charger ou décharger le condensateur, à travers la résistance d’environ 63,2% de la différence entre la valeur initiale et la valeur finale. La constante de temps Rc de l’appareil avec 16 électrodes est de 19 ms, contre 10 s pour le supercondensateur commercial à base de charbon actif et 1,1 ms pour un condensateur électrolytique à base d’aluminium.

Flexibles, portables, à intégrer directement sur une puce ou à l’arrière de panneaux solaires

Les nouveaux micro-supercondensateurs sont hautement flexibles et twistables. Lors d’un essai sous pression constante, ils ont montré une stabilité exceptionnelle quel que soit le degré de flexion ou de torsion. Leur capacité a été maintenue de façon réversible avec 97% de rétention de la capacité initiale après 2.000 cycles de fonctionnement.
Cela les rend potentiellement utiles en tant que dispositifs de stockage d’énergie à l’électronique flexible, comme les écrans et téléviseurs, l’e-papier, et même l’électronique portable enroulable. (Que diriez-vous des vêtements qui récupèrent dans le milieu ambiant, ou qui permettent d’utiliser votre propre énergie corporelle pour vous rafraîchir en été et vous tenir au chaud en hiver ?).
Les chercheurs ont créé le micro-supercondensateur sous une forme entièrement solide en utilisant une électrolyte ionogel, créé par le mélange de nanopoudre de silice fumée avec le liquide ionique de ‘1-butyl-3-méthylimidazolium-bis (trifluorométhylsulfonyl) imide’. Cela a donné lieu à toutes les sortes de micro-supercondensateurs à l’état solide qui peuvent être utilisés à une plus grande plage de potentiel de 2,5 V, comparée à celle de 1 V avec les meilleurs dispositifs qui sont actuellement disponibles sur le marché..
L’état solide permet aux micro-supercondensateurs d’être plus facilement mis en forme pour les incorporer dans un nouveau dispositif, ou ils pourraient être fabriqués directement sur une puce électronique en vue d’une intégration dans les microsystèmes électromécaniques (en anglais Microelectromechanical systems ou MEMS), encore appelés systèmes micro-électromécaniques, d’une part, et dans les semiconducteurs d’oxyde métallique complémentaires (en anglais complementary metal-oxyde ou CMOS), d’autre part. Cela peut aider à mieux extraire l’énergie à partir de sources solaires, thermiques et mécaniques et rendre les systèmes auto-alimentés plus efficaces.
Les micro-supercondensateurs, faisant appel à des semi-conducteurs à l’état solide ou dispositifs statiques, peuvent être fabriqués à l’arrière des cellules photovoltaïques (solaires), aussi bien dans les dispositifs portatifs que dans des installations fixées sur les toits pour stocker l’électricité produite pendant la journée, en vue d’une utilisation après le coucher du soleil, fournissant ainsi de l’électricité, potentiellement pendant 24 heures, sans nécessiter une connexion au réseau de distribution d’électricité. .
Ce n’est que le début : les possibilités sont infinies !

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Traduction et inclusion des accès aux définitions

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles.
Adresse : 585 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France
Courriel : jacques.hallard921@orange.fr
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