Les faisceaux de neutrons permettent de comprendre le fonctionnement à l’échelle nanométrique des supercondensateurs, une technologie habilitante pour les innovations en matière d’énergie propre telles que les éoliennes, les cellules solaires, les trains légers et les véhicules électriques.
Ces dernières années, l’intérêt pour les technologies énergétiques propres et renouvelables a augmenté de manière exponentielle. L’un des domaines de recherche les plus prometteurs concerne le développement de supercondensateurs plus performants, qui s’avèrent être un élément clé pour de nombreuses innovations en matière d’énergie propre.
Par exemple, les éoliennes et les panneaux solaires utilisent des supercondensateurs pour stabiliser leur production d’électricité dans les cas où des rafales de vent ou des nuages en mouvement peuvent entraîner des fluctuations de la production d’énergie. Les trains légers qui circulent sans câbles aériens utilisent des supercondensateurs pour se recharger rapidement lors des arrêts.
Les supercondensateurs, qui peuvent stocker et fournir de l’énergie beaucoup plus rapidement que les batteries, jouent également un rôle important dans le développement de véhicules plus propres, notamment en ce qui concerne le freinage régénératif (c’est-à-dire le stockage de l’énergie qu’une voiture perd habituellement au cours du freinage en vue d’une réutilisation ultérieure). Le freinage régénératif est particulièrement important pour les véhicules hybrides et électriques, où les économies d’énergie peuvent être massives (jusqu’à 50 %). Des économies d’énergie modestes, mais significatives ont également été réalisées sur des voitures à essence telles que la Mazda6, dont le modèle 2014 a été la première voiture produite en série à utiliser le freinage régénératif.
Les supercondensateurs pourraient également permettre un jour de réduire le temps de charge des véhicules électriques de plusieurs heures à quelques minutes. Des recherches supplémentaires sont toutefois nécessaires, car jusqu’à présent, les supercondensateurs n’ont pas la capacité de stocker autant d’énergie que des batteries équivalentes.
Le professeur David Mitlin, de l’Université Clarkson dans l’État de New York, a publié des recherches approfondies sur les matériaux qui sous-tendent les technologies d’énergie propre et renouvelable, notamment les matériaux nécessaires au développement de supercondensateurs plus performants. L’une des pistes de recherche de Mitlin vise à contribuer à la conception de matériaux répondant aux spécifications optimales des supercondensateurs en acquérant une meilleure compréhension des « pseudo-condensateurs », un type de supercondensateur qui utilise une réaction chimique à la surface du matériau de l’électrode pour stocker de l’énergie.
En raison de défauts ou d’autres facteurs de complication, la densité énergétique d’un dispositif réel est normalement inférieure à celle que l’on pourrait attendre d’un dispositif théoriquement idéal. Dans les pseudo-condensateurs, cependant, la densité d’énergie de la réaction chimique à la surface s’avère souvent plus élevée que les limites théoriques prévues par le modèle dominant, jusqu’à trois fois plus élevée dans certains cas. Cette divergence systématique indique une lacune importante dans la compréhension du fonctionnement des pseudo-condensateurs au niveau moléculaire.
Pour combler cette lacune, Mitlin a entrepris d’étudier la nature exacte des réactions chimiques qui se produisent à la surface des pseudo-condensateurs. Dans une recherche publiée en 2014, le groupe de recherche de Mitlin a utilisé des films minces d’oxyde de cobalt (Co3O4), un matériau intéressant pour une utilisation dans les pseudo-condensateurs parce que sa capacité très élevée est complétée par un faible coût et une faible empreinte environnementale. Les films de Co3O4 étaient incroyablement fins, environ 45 nanomètres (c’est-à-dire seulement quelques centaines de molécules) d’épaisseur. Les chercheurs ont donc fait appel au Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) pour mener leurs expériences, car la réflectométrie neutronique était la seule technique disponible pour sonder la surface d’un matériau aussi fin avec une précision nanoscopique pendant que la réaction chimique était en cours.
Les résultats ont été surprenants. La sagesse populaire avait suggéré que la réaction chimique n’impliquerait que la couche la plus externe du film, à plusieurs molécules de profondeur. Cependant, ils ont constaté que la réaction chimique se produisait sur toute l’épaisseur du film.
« Cette découverte pourrait non seulement expliquer l’écart entre la théorie et l’expérience, mais aussi transformer la façon dont les chercheurs envisagent ces matériaux », explique le professeur Mitlin. « Leur supercapacité n’est pas un effet purement superficiel, mais quasiment un effet de masse. »
Cette expérience a fourni des informations précieuses pour les recherches parallèles du professeur Mitlin sur les pseudo-condensateurs. En effet, il a déjà breveté plusieurs de ses idées pour améliorer les supercondensateurs et poursuit activement leur commercialisation.
« Je suis convaincu qu’il existe un énorme potentiel pour améliorer les supercondensateurs », déclare-t-il, ajoutant que la réalisation de ce potentiel « nous permettra d’étendre notre utilisation des technologies d’énergie propre et renouvelable et de réduire l’utilisation des combustibles fossiles ».
Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.
