Une nouvelle étude menée par des chercheurs chinois démontre une nouvelle approche pour améliorer les performances de stockage des batteries et des condensateurs. Les chercheurs ont développé un moyen simple mais efficace de produire un matériau avec d’excellentes performances pour une utilisation dans des appareils qui reposent sur le stockage lithium-ion.
Ils ont publié leurs découvertes dans Nano-recherche le 1er avril.
Pourquoi le lithium ?
Les technologies de stockage d’énergie sont de plus en plus importantes à mesure que le monde évolue vers la neutralité carbone, cherchant à électrifier davantage les secteurs de l’automobile et des énergies renouvelables. La technologie lithium-ion est essentielle pour alimenter ce changement.
« Parmi tous les candidats disponibles, les dispositifs de stockage d’énergie utilisant la chimie de stockage au lithium, tels que les batteries lithium-ion et les condensateurs lithium-ion, pourraient offrir les meilleures performances au stade actuel », déclare l’auteur de l’étude Han Hu, chercheur à l’Institut. of New Energy, China University of Petroleum.
Cependant, l’utilisation de la technologie lithium-ion dans le stockage d’énergie est limitée par son efficacité par rapport à la taille. Une étude de 2021 citée par les auteurs affirme que pour améliorer la compétitivité du marché des véhicules électriques, les batteries lithium-ion doivent devenir plus efficaces à la fois en poids et en volume. Une amélioration supplémentaire de la capacité de stockage peut donc être essentielle pour atteindre les objectifs de neutralité carbone, rendant la recherche sur les performances des batteries lithium-ion et des condensateurs via l’utilisation de nouveaux matériaux d’une importance primordiale.
Construire un nouveau matériau
Les matériaux carbonés dopés à l’azote sont actuellement le choix dominant dans les accumulateurs et condensateurs au lithium, le transfert d’électrons et d’ions étant le processus fondamental du stockage électrochimique de l’énergie. Cependant, comme les matériaux carbonés sont non polaires – avec des charges réparties également sur leurs molécules – le lithium chargé (Li+) n’adhère pas facilement aux matériaux, malgré sa configuration insaturée qui lui confère une énergie de liaison appropriée.
Les chercheurs ont donc mélangé des nanofibres de carbone avec du fer (Fe) pour réguler leur chimie de surface afin de faciliter un transfert accru d’électrons et d’ions. En utilisant l’électrofilage, ils ont produit une série d’échantillons de nanofibres de carbone contenant du Fe. Ils ont ensuite évalué les performances de stockage Li+ des échantillons à l’aide de diverses méthodes de test électrochimiques. La microscopie électronique à balayage et à transmission a révélé un réseau interconnecté 3D de fibres lisses sans amas de particules de fer, indiquant qu’elles étaient bien dispersées.
Les résultats ont révélé que l’ajout de Fe atomique modifiait la structure électronique des matériaux carbonés pour favoriser une plus grande conductivité électrique et réduire la résistance à la diffusion du Li+. Les chercheurs expliquent que les performances électrochimiques ont été améliorées principalement grâce à un effet synergique du Fe atomique et à la formation d’une liaison Fe-N qui exposait des sites plus actifs auxquels Li+ pouvait adhérer. Le résultat a été une amélioration des performances de stockage du lithium. L’anode fabriquée a fourni une puissance électrique soutenue pendant 5 000 cycles de haute densité de courant, fournissant à la fois une haute énergie et une grande densité de puissance. Sa structure de fibres entrelacées lui confère une stabilité structurelle et une conductivité améliorée.
L’auteur de l’étude, Yanan Li, également chercheur à l’Université du pétrole de Chine, explique comment la conformation des matériaux mise au point dans cette étude « a permis d’obtenir un stockage de Li+ accéléré cinétiquement et des performances décentes à des charges de masse élevées », en utilisant « une méthode simple pour produire du carbone décoré de Fe atomique nanofibres. »
Avoir hâte de
Les auteurs de l’étude soulignent que l’utilisation des nanofibres de carbone pourrait combler le fossé entre la recherche fondamentale et les applications pratiques. Ils anticipent l’adoption du nouveau matériau pour une utilisation dans une gamme de dispositifs de stockage d’énergie. « Les tapis de nanofibres de carbone électrofilés sont très flexibles, suggérant leur possibilité de construire des dispositifs de stockage d’énergie flexibles et portables », explique Hu. Les tapis de nanofibres de carbone serviraient d’électrodes. En outre, disent les chercheurs, ils visent à explorer l’utilisation d’autres métaux à un seul atome de sodium, de potassium et de zinc pour augmenter le stockage de l’énergie électrochimique.
Qian Xu et al, Stockage au lithium à accélération cinétique et à charge de masse élevée activé par des nanofibres de carbone intégrées au fer atomique, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4266-x
Alvaro Masias et al, Opportunités et défis des batteries lithium-ion dans les applications automobiles, Lettres énergétiques ACS (2021). DOI : 10.1021/acsenergylett.0c02584
Fourni par Tsinghua University Press