La révolution des matériaux novateurs dans le stockage de l'énergie

• Des scientifiques ont créé des hétérostructures artificielles composées de membranes 2D et 3D autoportantes pour lutter contre les pertes d'énergie dans les condensateurs ferroélectriques.
• Le nouveau matériau présente une densité d'énergie jusqu'à 19 fois supérieure à celle des condensateurs disponibles dans le commerce, tout en atteignant une efficacité de plus de 90%.
• Cette percée a des implications pour l'électronique de nouvelle génération, les véhicules électriques et le développement des infrastructures, offrant des solutions de stockage d'énergie hautes performances.

Des scientifiques de l'Université de Washington à St. Louis ont développé un matériau novateur qui révolutionne l'innovation dans le stockage d'énergie électrostatique. Ce matériau est fabriqué à partir de hétérostructures artificielles constituées de membranes 2D et 3D autoportantes ayant une densité énergétique jusqu'à 19 fois supérieure à celle des condensateurs disponibles dans le commerce.

Les condensateurs électrostatiques jouent un rôle crucial dans l'électronique moderne. Ils permettent une charge et une décharge ultra-rapides, assurant le stockage d'énergie et l'alimentation des appareils allant des smartphones, ordinateurs portables et routeurs aux dispositifs médicaux, à l'électronique automobile et à l'équipement industriel. Cependant, les matériaux ferroélectriques utilisés dans les condensateurs présentent des pertes d'énergie significatives dues à leurs propriétés matérielles, ce qui rend difficile la fourniture d'une capacité de stockage d'énergie élevée.

Dans une étude publiée dans Science, Sang-Hoon Bae, professeur adjoint en génie mécanique et sciences des matériaux à l'École d'ingénierie McKelvey de l'Université de Washington à St. Louis, a abordé ce défi de longue date dans le déploiement de matériaux ferroélectriques pour des applications de stockage d'énergie.

Bae et ses collaborateurs, notamment Rohan Mishra, professeur associé en génie mécanique et sciences des matériaux, et Chuan Wang, professeur associé en génie électrique et systèmes, tous deux à WashU, ainsi que Frances Ross, professeur TDK en science et génie des matériaux au MIT, ont introduit une approche pour contrôler le temps de relaxation - une propriété interne du matériau décrivant la durée nécessaire pour la dissipation ou la décroissance de la charge - des condensateurs ferroélectriques en utilisant des matériaux 2D.

Travaillant avec Bae, l'étudiant diplômé Justin S. Kim et le chercheur postdoctoral Sangmoon Han ont développé des hétérostructures 2D/3D/2D novatrices qui peuvent minimiser les pertes d'énergie tout en préservant les propriétés avantageuses des matériaux ferroélectriques 3D. Leur approche superpose astucieusement des couches minces d'atomes de matériaux 2D et 3D avec des liaisons chimiques et non chimiques soigneusement conçues entre chaque couche. Un noyau 3D très fin est inséré entre deux couches extérieures 2D pour créer une pile d'une épaisseur d'environ 30 nanomètres. C'est environ un dixième de la taille d'une particule virale moyenne.

« Nous avons créé une nouvelle structure basée sur les innovations que nous avons déjà réalisées dans mon laboratoire avec les matériaux 2D », a déclaré Bae. « À l'origine, nous n'étions pas concentrés sur le stockage d'énergie, mais au cours de notre exploration des propriétés des matériaux, nous avons découvert un nouveau phénomène physique que nous avons réalisé pouvait être appliqué au stockage d'énergie, et cela était à la fois très intéressant et potentiellement beaucoup plus utile. »

Les hétérostructures 2D/3D/2D sont finement conçues pour se situer dans un point d'équilibre entre la conductivité et la non-conductivité, où les matériaux semi-conducteurs ont des propriétés électriques optimales pour le stockage d'énergie. Grâce à cette conception, Bae et ses collaborateurs ont rapporté une densité énergétique jusqu'à 19 fois supérieure à celle des condensateurs ferroélectriques disponibles dans le commerce, et ils ont obtenu une efficacité de plus de 90 %, ce qui est également sans précédent.

« Nous avons découvert que le temps de relaxation diélectrique peut être modulé ou induit par un très petit espace dans la structure du matériau. Ce nouveau phénomène physique est quelque chose que nous n'avions jamais vu auparavant. Il nous permet de manipuler le matériau diélectrique de telle manière qu'il ne se polarise pas et ne perde pas sa capacité de charge », a expliqué Bae.

Alors que le monde est confronté à l'impératif de passer à des composants électroniques de nouvelle génération, le matériau hétérostructure novateur de Bae ouvre la voie à des dispositifs électroniques haute performance, englobant l'électronique de puissance, les systèmes de communication sans fil haute fréquence et les puces de circuits intégrés. Ces avancées sont particulièrement cruciales dans les secteurs nécessitant des solutions robustes de gestion de l'énergie, tels que les véhicules électriques et le développement d'infrastructures.

« Fondamentalement, cette structure que nous avons développée est un matériau électronique novateur », a déclaré Bae. « Nous ne sommes pas encore à 100 % optimal, mais déjà nous surpassons ce que font d'autres laboratoires. Nos prochaines étapes consisteront à améliorer encore cette structure de matériau, afin que nous puissions répondre au besoin de charge et de décharge ultra-rapides et de très hautes densités énergétiques dans les condensateurs. Nous devons être capables de le faire sans perdre la capacité de stockage au fil des charges répétées pour que ce matériau soit largement utilisé dans les grandes électroniques, comme les véhicules électriques, et d'autres technologies vertes en développement. »

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Cette technologie semble très prometteuse et Bae inspire une grande confiance avec ses commentaires tournés vers l'avenir. Atteindre un niveau de 100 % d'optimalité est un excellent moyen de progresser vers une importante amélioration technologique. L'idée que l'électronique de nos appareils utilise des composants électroniques à 100 % optimaux est très rassurante. Jusqu'à présent, nous savons rarement ce qui achève nos appareils, mais les condensateurs, résistances et diodes, bien qu'ils soient assez fiables, sont loin d'être infaillibles, et en substance, aucun article de consommation n'a de systèmes de sauvegarde intégrés. Oui, ces composants à dix cents peuvent rendre inutilisable un article valant plusieurs centaines de dollars.

Alors, allez professeur Bae !! Que cette optimalité de 100 % que vous avez mentionnée devienne une nouvelle norme pour de nombreux produits et les pièces utilisées pour les fabriquer.

Par Brian Westenhaus via New Energy and Fuel

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