Des chercheurs développent une anode de batterie sodium-ion efficace pour le stockage de l’énergie

Le changement climatique est une préoccupation mondiale majeure. Réduire les émissions de carbone en utilisant des sources d’énergie renouvelables et développer des systèmes de stockage d’énergie efficaces est devenu une priorité. Les batteries lithium-ion ont une densité d’énergie élevée et une longue durée de vie, ce qui les rend indispensables dans l’électronique portable ainsi que dans les véhicules électriques. Cependant, le coût élevé et l’approvisionnement limité en lithium nécessitent le développement de systèmes de stockage d’énergie alternatifs. À cette fin, les chercheurs ont suggéré les batteries sodium-ion (SIB) comme candidats possibles.

En plus d’avoir des propriétés physicochimiques similaires à celles du lithium, le sodium est à la fois durable et rentable. Cependant, ses ions sont gros avec une cinétique de diffusion lente, gênant leur logement dans les microstructures de carbone des anodes en graphite commercialisées. Par conséquent, les anodes SIB souffrent d’instabilité structurelle et de mauvaises performances de stockage. A cet égard, les matériaux carbonés dopés en hétéroatomes s’avèrent prometteurs. Cependant, leur préparation est compliquée, coûteuse et chronophage.

Récemment, une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Seung Geol Lee de l’Université nationale de Pusan ​​en Corée, a utilisé des quinacridones comme précurseurs pour préparer des anodes SIB carbonées. « Les pigments organiques tels que les quinacridones ont une variété de structures et de groupes fonctionnels. En conséquence, ils développent différents comportements de décomposition thermique et microstructures. Lorsqu’elles sont utilisées comme précurseurs pour les matériaux de stockage d’énergie, les quinacridones pyrolysées peuvent considérablement modifier les performances des batteries secondaires. Par conséquent , il est possible de mettre en œuvre une batterie très efficace en contrôlant la structure du précurseur de pigments organiques », explique le professeur Lee.

Leur étude a été mise en ligne le 17 octobre 2022 et sera publiée dans le Revue de génie chimique le 1er février 2023.

Les chercheurs se sont concentrés sur la 2,9-diméthylquinacridone (2,9-DMQA) dans leur étude. Le 2,9-DMQA a une configuration de garnissage moléculaire parallèle. Lors de la pyrolyse (décomposition thermique) à 600°C, le 2,9-DMQA est passé du rouge au noir avec un rendement de carbonisation élevé de 61 %. Les chercheurs ont ensuite effectué une analyse expérimentale complète pour décrire le mécanisme de pyrolyse sous-jacent.

Ils ont proposé que la décomposition des substituants méthyle génère des radicaux libres à 450 ° C, qui forment des hydrocarbures aromatiques polycycliques avec une microstructure à croissance longitudinale résultant d’un pontage de liaison le long de la direction de tassement parallèle. De plus, les groupes fonctionnels contenant de l’azote et de l’oxygène dans le 2,9-DMQA ont libéré des gaz, créant des domaines désordonnés dans la microstructure. En revanche, la quinacridone non substituée pyrolysée a développé des structures fortement agrégées. Cela suggère que le développement morphologique est significativement affecté par l’orientation cristalline du précurseur.

De plus, le 2,9-DMQA pyrolysé à 600 °C a présenté une capacité à haut débit (290 mAh/g à 0,05 A/g) et une excellente stabilité de cycle (134 mAh/g à 5 A/g pendant 1 000 cycles) en tant que SIB. anode. Les groupes contenant de l’azote et de l’oxygène ont encore amélioré le stockage de la batterie via le confinement de surface et l’augmentation de la distance entre les couches.

« Les pigments organiques tels que les quinacridones peuvent être utilisés comme matériaux d’anode dans les batteries sodium-ion. Compte tenu de leur rendement élevé, ils fourniront une stratégie efficace pour la production de masse de systèmes de stockage d’énergie à grande échelle », conclut le professeur Lee.