De l’oxyde de graphène pour les nouvelles générations de batteries et supercondensateurs

Ces beaux motifs mordorés sont apparus quand j’ai posé une goutte d’eau contenant de l’oxyde de graphène sous un microscope optique, alors que l’eau s’évaporait.

En faisant cela, je contribue à développer de nouvelles applications à base de graphène : des batteries, des « supercondensateurs » (des dispositifs qui permettent de charger et décharger très rapidement une forte puissance électrique en comparaison aux batteries) ou encore des détecteurs de molécules spécifiques.

Sur la gauche de l’image, on observe des structures sombres « dendritiques », ressemblant à des troncs et des branches, qui sont composées d’oxyde de graphène. L’eau ne s’est pas évaporée de façon homogène sur toute la surface, on parle de « démouillage partiel ». Cette zone est plus vers l’extérieur de la goutte.

Le séchage progresse ensuite vers le centre, la structure devient dense et l’on observe une zone sombre, pleine d’oxyde de graphène.

L’oxyde de graphène s’étant tellement aggloméré vers les bords de la goutte qu’il n’en reste plus au centre : à la fin du séchage, il ne reste qu’une petite goutte d’eau qui contient très peu d’oxyde de graphène. C’est le cercle clair central sur l’image, qui est tacheté : seuls de petits agrégats d’oxyde de graphène se sont déposés sur la surface aux derniers instants du séchage.

Si nous revenons avec un œil exercé sur la zone sombre entre les dendrites et le cercle central, on voit que la couleur n’est pas homogène. On observe des zones tirant vers le vert et d’autres tirant vers le marron… ainsi que quelques points noirs épars à travers lesquels la lumière ne passe pas.

Ces « couleurs structurales », également appelées « couleurs physiques », sont créées par divers phénomènes optiques. Ce sont par exemple les interférences de film mince, comme celles que l’on observe sur une flaque d’huile sur un sol mouillé. Ces couleurs montrent que cette zone n’a pas une épaisseur constante, et surtout qu’elle n’est pas plate, mais pour le moins rugueuse.

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Pourquoi étudier le séchage de goutte d’oxyde de graphène ?

Comprendre les multiples hétérogénéités dans le film sec d’oxyde de graphène est important pour développer des applications à base de graphène par voie de chimie douce et à bas coût.

Le graphène conduit très bien l’électricité, mais il n’est pas forcément aisé à manipuler. On peut donc utiliser de l’oxyde de graphène : du graphène en feuillets d’une dizaine de nanomètres de long à quelques micromètres, qui peuvent être dispersés dans l’eau grâce à la présence d’atomes d’hydrogène et d’oxygène à la surface des feuillets. Le désavantage est que ces atomes réduisent la conductivité électrique d’un facteur mille par rapport au graphène pur – il faut effectuer une thermolyse, au four ou avec un laser par exemple, pour la retrouver partiellement.

Nous cherchons à optimiser les électrodes à base de graphène/oxyde de graphène dans les dispositifs de stockage d’énergie tels que les super-condensateurs.

Pour cela, il est important de comprendre comment les gouttes contenant de l’oxyde de graphène sèchent. En effet, dans un supercondensateur, l’électrode est en contact avec un liquide (ou un gel) : l’« électrolyte ». La qualité de la charge et de la décharge du condensateur dépend de la qualité de l’interface entre l’électrode et l’électrolyte (il ne faut pas trop d’hétérogénéités).

Les supercondensateurs peuvent être chargés et déchargés jusqu’à 1 000 fois plus rapidement que les batteries conventionnelles telles que les batteries Li-ions avec une durée de vie (nombre de cycles charge/décharge) aussi de 1 000 fois plus longue sans pertes de performances.

Dans l’équipe Nanosciences et Nanotechnologies du département de recherche de l’ECE Paris, nous étudions ces dispositifs de stockage d’énergie composés par des électrodes à base d’oxyde de graphène et de liquides ioniques pour l’électrolyte.

Le séchage de gouttes sur des substrats ou « drop casting », est une technique simple, facile et rapide pour préparer une surface et modifier ses propriétés en y déposant des feuillets d’oxyde de graphène à partir de dispersions aqueuses. Comprendre les structures obtenues lors du séchage, comme sur la photo, ainsi que les phénomènes physiques sous-jacents est devenu indispensable avec le développement des technologies d’impression d’encres contenant du graphène, et notamment des encres à base d’eau (plus « vertes ») contenant de l’oxyde de graphène.