Électrodes hiérarchiques en mousse de carbone poreuse fabriquées à partir de déchets d'élastomères de polyuréthane pour double électricité

May 31, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11786 (2022) Citer cet article

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Les déchets plastiques sont devenus une préoccupation environnementale majeure à l’échelle mondiale. L’utilisation du carbone poreux dérivé de déchets solides pour le stockage d’énergie a récemment fait l’objet d’une grande attention. Nous rapportons ici la comparaison des performances électrochimiques des mousses de carbone poreuses (CF) produites à partir de déchets de modèles d'élastomères de polyuréthane (PU) via deux voies d'activation différentes. Les condensateurs électriques à double couche (EDLC) fabriqués à partir de mousse de carbone présentaient une capacité gravimétrique de 74,4 F/g à 0,1 A/g. La densité élevée due à la présence de sphères de carbone dans la structure hiérarchique offrait une excellente capacité volumétrique de 134,7 F/cm3 à 0,1 A/g. En outre, les EDLC basés sur CF présentaient une efficacité coulombienne proche de 100 % et des performances cycliques stables pendant 5 000 cycles de charge-décharge avec une bonne rétention de capacité de 97,7 % à 3 A/g. La faible résistance série équivalente (1,05 Ω) et la faible résistance au transfert de charge (0,23 Ω) en raison de la présence importante de groupes fonctionnels hydroxyle ont contribué à atteindre une puissance élevée (48,89 kW/kg). Sur la base de propriétés préférées telles qu'une surface spécifique élevée, une structure hiérarchique des pores, des fonctionnalités de surface, de faibles impuretés métalliques, une conductivité élevée et un comportement capacitif souhaitable, les CF préparés à partir de déchets d'élastomères PU ont montré leur potentiel d'adoption comme électrodes dans les EDLC.

Les supercondensateurs (SC), également appelés ultracondensateurs, sont des dispositifs avancés de stockage d'énergie qui peuvent être chargés-déchargés en quelques secondes et ont un potentiel dans les applications exigeantes en énergie telles que les véhicules électriques lourds, les appareils électromécaniques, l'électricité non intermittente provenant de sources renouvelables, etc. .1,2. Sur la base des mécanismes de stockage de charge et des caractéristiques des dispositifs, les supercondensateurs peuvent être classés en trois catégories : (i) les condensateurs électriques à double couche (EDLC), (ii) les pseudocondensateurs et (iii) les condensateurs asymétriques3,4,5,6. Bien que les pseudocondensateurs aient une capacité spécifique élevée et stockent de l’énergie principalement par transfert de charge faradique entre l’électrode et l’électrolyte7, ils présentent des limites dans les applications pratiques en raison d’une mauvaise stabilité de cycle et d’un coût élevé. Les EDLC à base de carbone continuent de dominer le marché commercial en raison de leurs impulsions d'énergie rapides, de leur longue durée de vie et de leur efficacité coulombienne élevée8. Ici, nous nous concentrons sur les EDLC symétriques qui stockent et libèrent de l’énergie via l’adsorption-désorption physique des ions à la surface, formant une double couche électrique à l’interface électrode-électrolyte9. Les carbones poreux se distinguent comme des matériaux d’électrode prometteurs pour les EDLC en raison de leur surface spécifique élevée, de leur bonne conductivité électrique, de leur stabilité physico-chimique, de leur facilité de préparation et de leur faible coût10. Les matériaux d'électrodes à base de carbone sont non seulement d'excellents candidats pour les EDLC, mais jouent également un rôle important dans le support du matériau actif des pseudocondensateurs. La plupart des supercondensateurs commerciaux utilisent comme électrodes des charbons actifs à base de biomasse provenant de coques de noix de coco, de bois, de bambou et de sciure de bois11 – ceux-ci souffrent d'une faible capacité spécifique et d'une faible capacité de débit.

Outre la surface spécifique élevée, la taille et la géométrie des pores influencent la double couche électrique. La capacité spécifique des EDLC est principalement déterminée par la surface spécifique effective et la distribution de la taille des pores (micro-, méso- et macropores) des électrodes de carbone poreuses. Grâce à l'augmentation de la surface, les micropores améliorent les performances électrochimiques ; cependant, les micropores peuvent limiter la diffusion et le transport des ions : les matériaux carbonés qui contiennent uniquement des micropores ne répondent souvent pas aux exigences des supercondensateurs hautes performances12. Néanmoins, la structure hiérarchique sous forme de méso et macropores interconnectés avec des micropores raccourcit le chemin de diffusion et peut faciliter le transport des ions . Ainsi, les carbones amorphes avec une structure de pores hiérarchique comprenant des réseaux de pores et de canaux bien développés conviennent parfaitement aux EDLC.