Des chercheurs développent du graphène

Des chercheurs de la North Carolina State University (NC State), de la National Science and Technology Development Agency et du NSTDA Characterization and Testing Service Center 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 pouvant alimenter une montre-bracelet.

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

L'étude de preuve de concept est une avancée dans le développement d'une batterie en forme de fibre qui pourrait à terme être intégrée dans les vêtements.

"En fin de compte, nous voulons fabriquer une batterie en forme de fil, afin que nous puissions 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 science à NC State. "Dans cette étude, nous avons créé une cathode en forme de fil. Nos découvertes étaient plutôt prometteuses 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 en oxyde de graphène, avec des particules de dioxyde de manganèse intégrées à l'intérieur. 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 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 trouvé les composants de dioxyde de manganèse plus courts en forme de tige mélangés de manière homogène avec le graphène, permettant aux chercheurs de fabriquer une fibre qui pourrait fonctionner comme un prototype de batterie fonctionnelle. Comparativement, 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, un 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 imitaient la configuration ou la géométrie de la fibre, par rapport aux particules en forme d'oursin, qui étaient rondes avec toutes sortes de bords pointés. Elles perturbaient l'empilement des nanofeuilles d'oxyde de graphène dans la fibre."

Bien que les performances de la batterie soient faibles, les chercheurs ont pu l'utiliser pour alimenter une montre-bracelet. L'équipe souhaite poursuivre son travail pour améliorer les performances du design.

"Cette étude montre que la forme et la taille des additifs dans la fibre ont affecté le processus de formation de fibre 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."