Des chercheurs du Tennessee aux États-Unis ont mis au point un nouveau supercondensateur en carbone poreux aux performances impressionnantes. Leur approche, basée sur le machine learning, a permis des résultats rapides.

Dans un article publié dans Nature communication, des chercheurs du Département de l’énergie du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) ont annoncé avoir développé, grâce au machine learning, un supercondensateur capable de stocker quatre fois plus d’énergie que les meilleurs matériaux actuels.

Les supercondensateurs sont composés de deux électrodes (anode et cathode) principalement constituées de carbone poreux et immergées dans un électrolyte. Ce sont des systèmes rechargeables, aussi appelés générateurs secondaires. Les pores du carbone permettent d’emmagasiner la charge électrostatique. Les supercondensateurs servent dans des applications qui nécessitent une densité de puissance élevée et une longue durée de vie, comme les systèmes de freinage par récupération dans les véhicules électriques, les alimentations sans interruption et les niveleurs de puissance pour l’électronique.

Les scientifiques de l’ORNL souhaitaient développer un carbone poreux performant afin d’améliorer les capacités des superconducteurs. Ils ont donc utilisé le machine learning pour y parvenir. En l’espace de trois mois, ils ont réussi à découvrir un nouveau matériau, ce qui aurait pris un an auparavant. « En combinant une méthode axée sur les données et notre expérience en matière de recherche, nous avons créé un matériau de carbone aux propriétés physicochimiques et électrochimiques améliorées qui a permis de repousser les limites du stockage d’énergie pour les supercondensateurs au carbone », a déclaré le chimiste Tao Wang de l’ORNL et de l’université du Tennessee, à Knoxville.

Ce superconducteur possède une architecture en carbone riche en oxygène avec une surface de plus de 4 000 mètres² par gramme, l’une des plus élevées enregistrée pour ce type de matériau. Cela est notamment possible grâce à une structure particulière. Le matériau, qui ressemble à une balle de golf avec de profondes fossettes au microscope, comprend à la fois des mésopores entre 2 et 50 nanomètres et des micropores inférieurs à 2 nanomètres. Au cours de leurs analyses expérimentales, les chercheurs ont constaté que l’alliance des mésopores et des micropores prodiguait non seulement une surface élevée pour le stockage de l’énergie, mais aussi des canaux pour le transport de l’électrolyte, surtout quand les mésopores sont dopés à l’oxygène et à l’azote. « Les pores plus petits offrent une plus grande surface pour stocker la charge, mais les pores plus larges sont semblables à une autoroute qui peut accélérer la performance du taux de charge/décharge », a déclaré Tao Wang. « Une quantité équilibrée de petits et de grands pores permet d’obtenir les meilleures performances, comme le prédit le modèle de réseau neuronal artificiel », a-t-il ajouté.

Cela donne à ce matériau une capacité de 611 farads par gramme, soit quatre fois plus qu’un supercondensateur commercial typique. « Il s’agit de la capacité de stockage la plus élevée jamais enregistrée pour le carbone poreux », conclut Sheng Dai, qui a conçu et mis au point les expériences avec le premier auteur de l’étude Tao Wang.