Une conception inspirée des ailes de libellule pour les piles au lithium à haute énergie
Un électrolyte polymère solidifié in situ mécaniquement robuste pour les anodes à base de SiOx
Dans leur quête de batteries lithium-ion (LIB) à plus haute densité énergétique, les chercheurs explorent constamment des solutions innovantes pour améliorer les performances des anodes à base de SiOx. Un article récent publié dans Nano-Micro Lettersdont les auteurs sont les professeurs Guanglei Cui et Huanrui Zhang de l'Institut de bioénergie et de technologie des bioprocédés de Qingdao, Académie chinoise des sciences, présente un électrolyte polymère révolutionnaire inspiré de la microstructure des ailes de libellule, qui offre des propriétés mécaniques et des performances électrochimiques supérieures.
L'importance de cette recherche
- Stabilité électrochimique améliorée : Les anodes à base de SiOx sont connues pour leur capacité spécifique théorique élevée, ce qui les rend intéressantes pour les piles à combustible à haute densité énergétique. Cependant, leur changement de volume important et la diminution rapide de leur capacité pendant le cycle posent des problèmes pour les applications pratiques. Cette étude présente un électrolyte polymère (PPM-PE) qui supprime efficacement ces problèmes en formant une interphase électrolytique solide (SEI) stable et en réduisant la décomposition de l'électrolyte.
- Propriétés mécaniques améliorées : Le PPM-PE, inspiré par la structure de séparation de phase des ailes de libellule, présente d'excellentes propriétés mécaniques, notamment un allongement à la rupture et une résistance à la rupture élevés. Ces propriétés permettent d'atténuer l'expansion du volume des électrodes SiOx et de maintenir l'intégrité structurelle pendant les cycles.
- Potentiel d'applications pratiques : Le PPM-PE permet d'améliorer considérablement les performances en termes de cycle et de taux dans les piles complètes de type bouton et à boîtier souple avec des électrodes à base de SiOx, ce qui démontre son potentiel d'utilisation pratique dans les piles à lithium-ion à haute densité énergétique.
Conception et mécanismes innovants
- Microstructure inspirée de l'aile de libellule : Le PPM-PE est conçu avec une structure de séparation des microphases, imitant la phase rigide de la veine de l'aile et la phase souple de la membrane de l'aile de la libellule. Cette structure est obtenue par polymérisation in situ d'un monomère bicyclique contenant un ester phosphate et un motif uréthane (PU) et du méthacrylate de méthyle (MMA) dans un électrolyte organique liquide. Les segments de PU et les motifs de MMA forment un réseau polymère 3D qui amortit les contraintes et stabilise le SEI.
- Propriétés mécaniques supérieures : Les films PPM-PE présentent un allongement à la rupture de 161 % et une résistance à la rupture de 1,58 MPa, ce qui est nettement supérieur aux autres électrolytes polymères. Cette robustesse mécanique permet de supporter les changements de volume des électrodes SiOx et de maintenir un SEI stable pendant les cycles.
- Amélioration des performances électrochimiques : Le PPM-PE présente un indice de transfert du lithium élevé (tLi+) de 0,57 et une résistance à l'oxydation de plus de 5,25 V, ce qui contribue à accélérer la cinétique de la réaction électrochimique et à améliorer les performances. La couche SEI renforcée par des polymères et riche en LiF stabilise davantage la structure de l'électrode et réduit la décomposition de l'électrolyte.
Applications et perspectives d'avenir
- LIB à haute densité énergétique : Le PPM-PE démontre d'excellentes performances électrochimiques dans les demi-cellules à base de SiOx et les cellules complètes à boîtier souple, avec une rétention de capacité de 88,14 % après 148 cycles à une vitesse de 1C et de 80,81 % après 250 cycles à une vitesse de 0,4C. Ces résultats soulignent le potentiel du PPM-PE pour des applications pratiques dans les piles à combustible à haute densité énergétique.
- Recherche future : Les travaux futurs se concentreront sur l'optimisation de la conception de l'électrolyte polymère afin d'améliorer ses performances et d'explorer son application dans d'autres types de batteries à haute densité énergétique. La philosophie de conception inspirée des ailes de libellule pourrait également être appliquée à d'autres matériaux et systèmes de batteries afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques et électrochimiques.
Cet électrolyte polymère innovant, inspiré par la microstructure des ailes de libellule, représente une avancée significative dans le développement d'anodes à base de SiOx à haute performance pour les batteries lithium-ion. L'équipe des professeurs Guanglei Cui et Huanrui Zhang, qui continue à repousser les limites de la technologie de stockage de l'énergie, ne manquera pas d'effectuer d'autres recherches révolutionnaires.
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.
Publication originale
Cizhen Luo, Huanrui Zhang, Chenghao Sun, Xing Chen, Wenjun Zhang, Pengzhou Mu, Gaojie Xu, Rongxian Wu, Zhaolin Lv, Xinhong Zhou, Guanglei Cui; "A Mechanically Robust In-Situ Solidified Polymer Electrolyte for SiOx-Based Anodes Toward High-Energy Lithium Batteries"; Nano-Micro Letters, Volume 17, 2025-5-8
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