Des chercheurs développent du graphène

Des chercheurs de l'Université d'État de Caroline du Nord (NC State), de l'Agence nationale de développement scientifique et technologique et du centre de services de caractérisation et d'essais NSTDA en Thaïlande ont créé une cathode à base de graphène sous la forme d'une fibre filiforme. Les chercheurs ont ensuite pu utiliser la fibre pour créer un prototype de batterie zinc-ion capable d’alimenter une montre-bracelet.

Prototype de batterie avec cathode filiforme. Image du site Web du NCSU

L’étude de validation de principe constitue une avancée dans le développement d’une batterie en forme de fibre qui pourrait à terme être intégrée aux vêtements.

"En fin de compte, nous voulons fabriquer une batterie en forme de fil, afin de pouvoir la mettre dans un vrai vêtement, et de préférence la cacher", a déclaré l'auteur correspondant de l'étude, Wei Gao, professeur agrégé d'ingénierie textile, de chimie et de sciences à NC State. « Dans cette étude, nous avons créé une cathode en forme de fil. Nos résultats étaient plutôt prometteurs pour une bande de fibre aussi courte, et nous espérons poursuivre ce travail pour améliorer les performances, la sécurité et les propriétés mécaniques de nos conceptions.

Pour créer la cathode, les chercheurs ont utilisé du graphène pour fabriquer une batterie zinc-ion en forme de fil. Dans leur étude, les chercheurs ont créé différentes microparticules de dioxyde de manganèse de différentes formes et tailles. Ensuite, ils ont utilisé un processus de filage en solution pour former une fibre composée d’oxyde de graphène, dans laquelle sont incorporées des particules de dioxyde de manganèse. Ils ont étudié les propriétés électrochimiques et autres des fibres.

"Puisque nous essayons de fabriquer une batterie zinc-ion en forme de fibre, nous nous soucions non seulement des performances de la batterie, mais également des propriétés mécaniques - nous avons besoin que la fibre soit solide et également flexible", a déclaré Gao.

Les chercheurs ont découvert que la forme des matériaux d’oxyde de graphène et de dioxyde de manganèse qu’ils utilisaient pour fabriquer la cathode affectait sa fonction électrochimique. Plus précisément, ils ont découvert que les composants du dioxyde de manganèse, plus courts et en forme de bâtonnet, étaient mélangés de manière homogène au graphène, permettant ainsi aux chercheurs de fabriquer une fibre pouvant fonctionner comme un prototype de batterie fonctionnel. En comparaison, ils ont découvert que lorsque le dioxyde de manganèse avait la forme d’un « oursin », la fibre ne pouvait pas être utilisée dans une batterie fonctionnelle.

"Lorsque le graphène et le dioxyde de manganèse sont bien mélangés, vous pouvez utiliser la fibre pour créer une batterie fonctionnelle", a déclaré le premier auteur de l'étude, Nakarin Subjalearndee, ancien étudiant diplômé de NC State. "Si le dioxyde de manganèse avait la forme d'un oursin, cela signifiait que le fil cathodique avait une surface rugueuse et ne pouvait pas être utilisé."

"Le dioxyde de manganèse en forme de bâtonnet nous a donné les meilleures performances", a ajouté Gao. « Ces particules imitent la configuration ou la géométrie de la fibre, par rapport aux particules en forme d'oursin, qui étaient rondes avec toutes sortes de bords soulignés. Ils ont perturbé l’empilement des nanofeuilles d’oxyde de graphène dans la fibre.

Même si les performances de la batterie étaient faibles, les chercheurs ont pu l'utiliser pour alimenter une montre-bracelet. L'équipe souhaite poursuivre son travail pour améliorer les performances de la conception.

"Cette étude montre que la forme et la taille des additifs contenus dans la fibre affectent le processus de formation des fibres d'oxyde de graphène", a déclaré Gao. « Nous espérons continuer à développer ce système ; nous voulons que notre conception soit comparable à une batterie commerciale.