Une des pistes largement étudiée pour améliorer les piles à combustible, les batteries ou les supercondensateurs est d’améliorer les revêtements de leurs électrodes. Des chercheurs du MIT ont fabriqué des pellicules de nanotubes de carbone denses et pures qui promettent d’améliorer significativement ces électrodes. Utiliser des nanotubes pour les électrodes offre le potentiel d’améliorer les performances des batteries, car ils peuvent porter et stocker plus de charges que les autres formes de carbone, en partie grâce à leur nanostructure qui leur confère une très grande surface. En effet plus la surface est grande, plus les lieux de catalyse des réactions chimiques sont nombreux. L’idée est intéressante, mais la mise en pratique reste un défi : comment appliquer une grande densité de nanotubes sur les électrodes de manière efficace et fiable ?
La technique utilisée par le professeur d’ingénierie chimique Paula Hammond et le professeur d’ingénierie mécanique Yang Shao-Horn est simple, comme son nom : l’assemblage couche par couche (layer by layer assembly). Deux solutions aqueuses de nanotubes sont nécessaires : la première est chargée positivement car elle contient des molécules chargées positivement que l’on a fixées auparavant sur les nanotubes, la seconde des molécules chargées négativement, toujours fixées aux nanotubes. Un substrat, par exemple en silicium, est trempé dans la première solution, puis rincé et séché, et enfin trempé dans la deuxième solution. Ce qui se passe ensuite est prévisible : après son passage dans la première solution, le substrat est recouvert d’une couche de nanotubes "plus", puis après la deuxième solution, une deuxième couche de nanotubes "moins" vient s’accrocher au-dessus. Plus le cycle est répété, plus le nombre de bicouches de nanotubes plus/moins sera important. La pellicule de nanotubes obtenue est alors détachée du substrat et mise sous cuisson dans une atmosphère d’hydrogène pour brûler les molécules chargées. Le résultat est une pellicule contenant 70% de nanotubes purs. Les espaces libres entre les couches peuvent être utilisés pour stocker du Lithium ou d’autres électrolytes. D’après Shao Horn, les batteries et les supercondensateurs équipés de ces pellicules de nanotubes de hautes capacité et conductivité pourraient avoir une puissance de sortie importante et une durée de vie plus longue. En plus de la haute capacité de ces pellicules, la technique d’assemblage permet de contrôler facilement la surface active.
Le groupe du MIT cible le développement de la technique d’assemblage couche par couche avec des nanotubes pour des applications électrochimiques, mais elle est applicable à d’autres domaines. Diverses applications peuvent être imaginées par exemple en électronique, où les nanotubes sont en passe de devenir incontournables. En faisant varier le pH des solutions et le nombre de couches, il est possible d’ajuster les propriétés électriques des pellicules. D’autres utilisations potentielles sont imaginables. Immergé dans un liquide, la pellicule gonfle : cela peut être utile, car la conductivité et la capacité du matériau est modifiée, ce qui ouvre beaucoup de perspectives pour des capteurs ou des revêtements intelligents.
Le problème de la technique est le temps qu’elle demande. En effet, on imagine assez facilement que pour obtenir des électrodes d’une épaisseur de 10 à 100 micromètres, il faut beaucoup de cycles de trempage dans les solutions. Le groupe de Hammond et de Shao-Horn au MIT a jusque-là obtenu une épaisseur de 1 micromètre. Mais Paula Hammond, une pionnière dans l’assemblage couche par couche pour les polymères, a développé une technique de pulvérisation qui pourrait être appliquée aux nanotubes, et ainsi réduire le temps de fabrication d’un facteur 10, ce qui sera nécessaire pour une application commerciale.
Source :
"Nanotube Superbatteries", 12 janvier 2009, Katherine Bourzac, MIT Technology Review – https://www.nanoforum.org/nf06~modul~showmore~folder~99999~scc~news~scid~3783~.html?action=longview
Pour en savoir plus, contacts :
– Technique couche par couche : https://www1.mengr.tamu.edu/PolymerNanoComposites/html/Research/LbL%20page.htm
– Groupe de Paula Hammond au MIT : https://web.mit.edu/hammond/lab/
Code brève
ADIT : 57500
Rédacteur :
Alban de Lassus, [email protected]
