11.04.2022 - Tsinghua University

Une nouvelle utilisation des nanofibres de carbone lacées de fer permet un stockage d'énergie très performant

Une nouvelle étude menée par des chercheurs chinois présente une nouvelle approche pour améliorer les performances de stockage des batteries et des condensateurs. Les chercheurs ont mis au point une méthode simple mais efficace pour produire un matériau présentant d'excellentes performances pour les dispositifs de stockage au lithium-ion. Ils ont publié leurs résultats dans Recherche en nanotechnologie le 1er avril.

Pourquoi le lithium ?

Les technologies de stockage de l'énergie sont de plus en plus importantes à mesure que le monde s'oriente vers la neutralité carbone, en cherchant à électrifier davantage les secteurs de l'automobile et des énergies renouvelables. La technologie lithium-ion est essentielle à cette évolution. "Parmi tous les candidats disponibles, les dispositifs de stockage d'énergie utilisant la chimie du lithium, tels que les batteries lithium-ion et les condensateurs lithium-ion, pourraient offrir les meilleures performances au stade actuel", explique l'auteur de l'étude, Han Hu, chercheur à l'Institut des énergies nouvelles de l'Université chinoise du pétrole.

Toutefois, l'utilisation de la technologie lithium-ion dans le stockage de l'énergie est limitée par son efficacité par rapport à sa taille. Une étude de 2021 citée par les auteurs affirme que pour améliorer la compétitivité des véhicules électriques sur le marché, les batteries lithium-ion doivent devenir plus efficaces en termes de poids et de volume. L'amélioration de la capacité de stockage peut donc être essentielle pour atteindre les objectifs de neutralité carbone, ce qui rend la recherche sur les performances des batteries lithium-ion et des condensateurs via l'utilisation de nouveaux matériaux d'une importance capitale.

Construction d'un nouveau matériau

Les matériaux carbonés dopés à l'azote sont actuellement le choix dominant dans les batteries et les condensateurs de stockage au lithium, le transfert d'électrons et d'ions étant les processus fondamentaux du stockage électrochimique de l'énergie. Cependant, comme les matériaux carbonés sont non polaires - les charges étant réparties de manière égale dans leurs molécules - le lithium (Li+) chargé n'adhère pas facilement aux matériaux, malgré sa configuration insaturée qui lui confère une énergie de liaison appropriée.

Les chercheurs ont donc ajouté du fer (Fe) aux nanofibres de carbone afin de réguler la chimie de leur surface pour faciliter le transfert des électrons et des ions. En utilisant l'électrofilage, ils ont produit une série d'échantillons de nanofibres de carbone avec des teneurs en Fe. Ils ont ensuite évalué la performance de stockage du Li+ des échantillons en utilisant une variété de méthodes de tests électrochimiques. La microscopie électronique à balayage et à transmission a révélé un réseau interconnecté en 3D de fibres lisses, sans amas de particules de fer, ce qui indique qu'elles étaient bien dispersées.

Les résultats ont révélé que l'ajout de Fe atomique modifiait la structure électronique des matériaux en carbone pour favoriser une meilleure conductivité électrique et réduire la résistance à la diffusion du Li+. Les chercheurs expliquent que les performances électrochimiques ont été améliorées principalement par un effet synergique du Fe atomique et la formation d'une liaison Fe-N qui a exposé plus de parties actives auxquelles le Li+ pouvait adhérer. Il en résulte une amélioration des performances de stockage du lithium. L'anode fabriquée a fourni une puissance électrique soutenue pendant 5000 cycles de haute densité de courant, fournissant à la fois une énergie élevée et une grande densité de puissance. Sa structure de fibres entrelacées a conféré une stabilité structurelle et une meilleure conductivité.

L'auteur de l'étude, Yanan Li, également chercheur à l'Université chinoise du pétrole, explique comment la conformation des matériaux mise au point dans cette étude "a permis d'obtenir un stockage cinétiquement accéléré du lithium et des performances décentes à des charges massiques élevées", en utilisant "une méthode simple pour produire des nanofibres de carbone décorées de fer atomique".

Perspectives d'avenir

Les auteurs de l'étude soulignent que l'utilisation de nanofibres de carbone pourrait combler le fossé entre la recherche fondamentale et les applications pratiques. Ils prévoient l'adoption de ce nouveau matériau pour une utilisation dans une gamme de dispositifs de stockage d'énergie. "Les tapis de nanofibres de carbone électrospuntées sont très flexibles, ce qui suggère la possibilité de construire des dispositifs de stockage d'énergie flexibles et portables", explique M. Hu. Les tapis de nanofibres de carbone serviraient d'électrodes. Les chercheurs ont également l'intention d'explorer l'utilisation d'autres métaux à atome unique, comme le sodium, le potassium et le zinc, pour augmenter le stockage de l'énergie électrochimique.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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