Les polymères conducteurs, des substances synthétiques à grosses molécules qui peuvent conduire l’électricité, peuvent avoir une large gamme d’applications intéressantes. Par exemple, ils ont été utilisés pour créer des capteurs, des diodes électroluminescentes, des photovoltaïques et divers autres dispositifs.
Ces dernières années, ces matériaux conducteurs se sont révélés particulièrement prometteurs pour la réalisation de dispositifs de conversion et de stockage d’énergie, dont les batteries. Cependant, les méthodes d’ajout de ces fonctionnalités ne sont pas toujours fiables, ce qui limite considérablement la mise en œuvre à grande échelle de batteries à base de ces matériaux.
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’Université de Californie à Berkeley ont récemment introduit une stratégie qui pourrait aider à développer de manière fiable des structures hiérarchiquement ordonnées (HOS) avec des formes bien définies dans des polymères conducteurs. Cette stratégie, présentée dans un article publié dans Énergie naturellepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la création de technologies de batteries performantes, notamment les batteries lithium-ion.
« Dans la conception conventionnelle des polymères conducteurs, les fonctionnalités organiques sont introduites via des approches synthétiques ascendantes pour améliorer les propriétés spécifiques en modifiant les polymères individuels », ont écrit Tianyu Zhu et ses collègues dans leur article. « Malheureusement, l’ajout de groupes fonctionnels conduit à des effets contradictoires, limitant leur synthèse à grande échelle et leurs applications étendues. Nous montrons un polymère conducteur avec des blocs de construction primaires simples qui peuvent être traités thermiquement pour développer des structures hiérarchiquement ordonnées (HOS) avec des morphologies nanocristallines bien définies. . »
Au lieu de modifier les structures primaires des polymères conducteurs, comme cela a été fait dans des travaux antérieurs, Zhu et ses collègues ont exploré la possibilité de former des architectures 3D bien organisées sur les matériaux. Ces structures pourraient permettre des fonctionnalités souhaitables sans qu’il soit nécessaire d’augmenter la complexité structurelle primaire d’un polymère.
L’approche proposée par les chercheurs pour former ces structures est basée sur un processus thermique contrôlé. Dans le cadre de leur étude, ils l’ont notamment utilisé pour améliorer les propriétés mécaniques et de transport d’un polymère conducteur appelé poly(9,9-dioctylfluorène-co-fluorénoneco-methylbenzoic ester) ou PFM.
« Notre approche de la construction de HOS permanents dans des polymères conducteurs conduit à une amélioration substantielle des propriétés de transport de charge et de la robustesse mécanique, qui sont essentielles pour les batteries lithium-ion pratiques », ont expliqué Zhu et ses collègues dans leur article. « Enfin, nous démontrons que les polymères conducteurs avec HOS permettent des performances de cyclage exceptionnelles de cellules pleines avec des anodes à base de SiOx de taille micrométrique à charge élevée, offrant des capacités surfaciques de plus de 3,0 mAh cm-2 sur 300 cycles et une efficacité coulombienne moyenne de> 99,95 %. »
Les premières évaluations menées par cette équipe de chercheurs ont donné des résultats très prometteurs, soulignant la promesse de leur approche dans l’amélioration des fonctionnalités des polymères conducteurs. Zhu et ses collègues ont ensuite montré que ces polymères améliorés permettent la création de batteries lithium-ion très performantes.
Alors que les chercheurs ont jusqu’à présent principalement appliqué leur méthode au polymère PFM, elle pourrait potentiellement être utilisée pour modifier les propriétés de transport d’un large éventail d’autres polymères conducteurs. Cela signifie qu’il pourrait contribuer au développement de nombreuses technologies et dispositifs, y compris les capteurs biologiques, les écrans et le photovoltaïque, en aidant par exemple à augmenter leur stabilité, leur efficacité de transport et leur durabilité.
Plus d’information:
Tianyu Zhu et al, Formation de structures hiérarchiquement ordonnées dans des polymères conducteurs pour améliorer les performances des batteries lithium-ion, Énergie naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41560-022-01176-6
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