Synthèse directe de matériaux carbonés fluorés via une réaction mécanochimique à l’état solide entre le graphite et le PTFE

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Jong-Beom Baek et son équipe de l’École de génie énergétique et chimique de l’UNIST ont réalisé une percée significative dans la technologie des batteries. Ils ont développé une méthode innovante qui permet la synthèse en toute sécurité de matériaux carbonés fluorés (FCM) à l’aide de polytétrafluoroéthylène (PTFE) et de graphite.

Les matériaux en carbone fluoré ont suscité une attention considérable en raison de leur stabilité exceptionnelle, attribuée à la forte liaison CF, la plus forte parmi les liaisons simples en carbone. Cependant, les méthodes traditionnelles de fluoration impliquent des réactifs hautement toxiques tels que l’acide fluorhydrique (HF), ce qui les rend impropres aux applications pratiques.

Dans cette étude, l’équipe de recherche a introduit une approche simple et relativement sûre pour la synthèse évolutive de FCM par dépolymérisation mécanochimique du PTFE (un composé couramment utilisé dans les objets du quotidien) et par fragmentation du graphite. En utilisant des techniques de broyage à boulets qui induisent des réactions mécaniques et chimiques, ils ont réussi à produire des FCM aux performances considérablement améliorées par rapport au graphite.

L’utilisation de composés dangereux comme le fluor gazeux ou le HF dans la production conventionnelle de fluorure de carbone soulève des problèmes de sécurité, augmentant les coûts de fabrication associés à des mesures de sécurité strictes. Pour relever ces défis, l’équipe du professeur Baek a conçu une méthode de fluoration en phase solide utilisant du PTFE, un polymère inerte connu pour sa stabilité dans les conditions atmosphériques et son innocuité lorsqu’il est consommé par voie orale.

Grâce à des expériences, il a été observé que soumettre le PTFE à une énergie supérieure à celle qu’il peut supporter entraîne une rupture de la chaîne moléculaire et la formation de radicaux, déclenchant une réaction entraînant la production de complexes de fluorure de carbone. Ces complexes adhèrent ensuite à la surface et aux bords des particules de graphite lors des processus ultérieurs.

Les FCM résultants ont démontré une capacité de stockage et une stabilité électrochimique supérieures par rapport aux anodes en graphite traditionnelles. À un faible taux de charge de 50 mA/g, les FCM présentaient des capacités de stockage 2,5 fois supérieures (951,6 mAh/g) à celles du graphite, tandis qu’à un taux de charge élevé de 10 000 mA/g, leur capacité de stockage était dix fois supérieure (329 mAh/g). g). Remarquablement, même après plus de 1 000 cycles de charge/décharge à un taux de 2 000 mA/g, les FCM ont conservé 76,6 % de leur capacité initiale, contre seulement 43,8 % pour le graphite.

« Cette étude met en évidence non seulement les méthodes de fluoration sûres, mais également le potentiel plus large des réactions en phase solide », a déclaré Boo-Jae Jang, chercheur à l’École de génie énergétique et chimique de l’UNIST.

« Cette recherche nous incite à reconsidérer les matériaux que l’on retrouve couramment dans notre environnement », a ajouté le professeur Baek. Il a en outre souligné l’importance de comprendre les réactions en phase solide, car cela ouvre la porte au développement de nouveaux matériaux jusqu’alors inexplorés.

Les résultats de l’étude ont été publiés dans Matériaux fonctionnels avancés.