Les supercondensateurs ou supercaps (de l'anglais « supercapacitors ») sont les petits frères et sœurs rapides des batteries. Les deux technologies stockent l'énergie électrique. Les batteries ont une grande densité d'énergie, mais une faible densité de puissance. En d'autres termes, elles peuvent stocker beaucoup d'énergie, mais la charge et la décharge sont plutôt lentes. Les supercaps sont plutôt l'inverse : ils absorbent et restituent l'énergie à la vitesse de l'éclair, mais ils ne peuvent en stocker que très peu.
« Les batteries sont comme un grand récipient avec un col étroit qui ne se remplit que lentement. Les supercondensateurs sont plutôt de petites tasses avec une large ouverture – ils se remplissent rapidement, mais ont un faible volume », explique Sina Azad, chercheur à l'Empa. Les deux technologies sont souvent utilisées conjointement : dans une voiture électrique, les supercondensateurs captent rapidement l'énergie de freinage et la transmettent plus tard aux batteries plus lentes pour le stockage. On trouve également des supercondensateurs dans les fermes solaires et les éoliennes, ainsi que dans les machines industrielles qui ont parfois besoin rapidement de beaucoup de courant.
Sina Azad, post-doctorant au laboratoire « Functional Polymers » de l'Empa, et son équipe se sont fixé pour objectif d'améliorer ces « accumulateurs rapides » omniprésents en développant de nouvelles électrodes en graphène. Grâce à cette forme bidimensionnelle du carbone, les supercondensateurs devraient atteindre des densités énergétiques nettement plus élevées.
« Des densités énergétiques record pour les supercondensateurs ont déjà été décrites à plusieurs reprises dans la littérature scientifique », admet Sina Azad. Dans son projet de recherche, l'accent n'est donc pas mis sur les records, mais sur l'évolutivité. Les chercheurs misent dès le départ sur des matériaux et des processus qui peuvent être mis en œuvre non seulement en laboratoire, mais aussi à l'échelle industrielle. C'est pourquoi leur projet est soutenu dans le cadre de « Bridge », un programme d'encouragement commun du Fonds national suisse (FNS) et d'Innosuisse.
C'est la surface qui compte
Tout comme une batterie, un supercondensateur se compose de deux électrodes entourées d'un électrolyte liquide. Lors de la charge et de la décharge, l'électrolyte transporte les ions – les porteurs de charge – d'une électrode à l'autre. Contrairement à la batterie, aucune réaction chimique ne se produit. « Les supercondensateurs stockent l'énergie de manière électrostatique en déposant autant de particules chargées que possible sur l'électrode », explique Jakob Heier, responsable du groupe de recherche « Functional Thin Film Solution Processing » au laboratoire des polymères fonctionnels, dont fait partie Sina Azad.
En d'autres termes : plus la surface de l'électrode est grande, plus le nombre d'ions qui peuvent s'y « arrimer » est important – et plus la densité énergétique du supercondensateur est élevée. « Aujourd'hui, on utilise généralement le charbon actif, un matériau très poreux, comme matériau d'électrode », explique Vahid Charkesht, chercheur à l'Empa. Cependant, contrairement au graphène, le charbon actif n'a qu'une très faible conductivité électrique, ce qui réduit la capacité de stockage de l'électrode.
Un autre inconvénient survient lors du traitement du matériau. Dans l'industrie, les électrodes sont imprimées sur des films flexibles selon un procédé dit « rouleau à rouleau », puis découpées et enroulées pour former des supercondensateurs finis. Pour pouvoir imprimer le charbon actif en poudre sur un matériau de support, on lui ajoute des liants et d'autres additifs qui réduisent sa porosité.
De l'encre au produit fini
Imprimer du graphène n'est toutefois pas non plus une évidence. Le graphène pur destiné aux applications industrielles est généralement extrait du graphite. Les méthodes traditionnelles ne fournissent généralement qu'un très faible rendement de graphène pur, qui doit en outre être séparé des déchets à grands frais. Sur la base d'un projet de recherche antérieur, les chercheurs de l'Empa ont toutefois un atout dans leur manche : Ils ont développé un procédé permettant de « peler » le graphène de haute qualité à partir du graphite de manière économique et efficace et de le transformer en une encre imprimable sous forme de gel.
Cette encre de graphène offre un avantage décisif pour la fabrication des électrodes Supercap : En mélangeant habilement deux types de graphène différents, les chercheurs peuvent influencer de manière ciblée la taille des pores entre les couches de graphène. « Si nous adaptons la taille des pores de l'électrode à la taille des ions dans l'électrolyte, la densité énergétique du supercondensateur augmente brusquement », explique Sina Azad. Un tel contrôle n'est pas possible avec le charbon actif.
Grâce à leur conductivité élevée, à la taille précise des pores, à leur grande surface et à leur évolutivité, ces nouvelles électrodes devraient devenir un produit de haute technologie. « A la fin du projet, nous voulons mettre notre technologie sur le marché, soit avec des partenaires industriels, soit par le biais d'une spin-off propre », explique Jakob Heier.
Mais d'ici là – le projet se poursuit jusqu'en 2028 – il y a encore beaucoup à faire. En effet, les chercheurs ne veulent pas seulement développer la technologie des électrodes, mais aussi les fabriquer immédiatement et les intégrer dans des prototypes de supercondensateurs fonctionnels. Il s'agit de définir les bonnes étapes du processus, de trouver un électrolyte adapté, puis de caractériser précisément les supercondensateurs finis. « Nous voulons développer un produit réel et fiable », résume Sina Azad.