L'incorporation de matières organiques dans les batteries lithium-ion pourrait réduire leur coût et les rendre plus respectueuses de l'environnement, Les chercheurs d'A*STAR ont découvert. L'équipe a développé une cathode de batterie à base organique qui a considérablement amélioré les performances électrochimiques par rapport aux matériaux de cathode organique précédents. Surtout, le nouveau matériau est également robuste, restant stable sur des milliers de cycles de charge/décharge de la batterie.

La cathode, l'électrode positive dans les batteries Li-ion, est un élément critique. Un déficit en électrons, molécule organique rigide appelée hexaazatrinaphtalène (HATN) a déjà été étudiée en tant que matériau de cathode organique pour les batteries lithium-ion. Cependant, ses performances initiales prometteuses ont décliné rapidement au cours de l'utilisation, parce que la molécule a commencé à se dissoudre dans l'électrolyte liquide de la batterie.

Un nouveau matériau de cathode, dans lequel HATN a été combiné avec de l'oxyde de graphène dans le but d'empêcher la matière organique de se dissoudre, a maintenant été développé par Yugen Zhang et ses collègues de l'A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology.

Dans l'oxyde de graphène, une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome est en partie recouverte d'une couche d'atomes d'oxygène. "L'oxyde de graphène a une excellente conductivité électronique, et la fonctionnalité d'oxygène de surface qui peut former des interactions de liaison hydrogène avec HATN, " dit Zhang. Il explique que cela a fait de l'oxyde de graphène un candidat prometteur pour former un nanocomposite HATN-oxyde de graphène.

Les performances du nanocomposite ont dépassé les attentes. Les matériaux se sont combinés pour former des nanotiges cœur-coquille dans lesquelles le HATN était recouvert d'oxyde de graphène. "L'oxyde de graphène et le HATN forment une très belle structure composite, qui a résolu le problème de dissolution du HATN dans l'électrolyte et a donné à la cathode une très bonne stabilité en cyclage, " dit Zhang. Une batterie lithium-ion utilisant ce matériau comme cathode a conservé 80% de sa capacité après 2000 cycles de charge/décharge.

L'équipe a constaté des performances encore meilleures lorsqu'elle a combiné de l'oxyde de graphène avec un dérivé HATN appelé acide hexaazatrinaphtalène tricarboxylique (HATNTA). Une batterie faite de ce matériau a conservé 86 pour cent de sa capacité après 2, 000 cycles de charge/décharge. L'amélioration des performances est probablement due aux groupes acide carboxylique polaires sur la molécule HATNTA, qui a attaché la molécule encore plus fortement à l'oxyde de graphène.

L'équipe continue de développer de nouveaux matériaux pour améliorer les performances des cathodes organiques, dit Zhang. En plus d'étudier des alternatives à l'oxyde de graphène, l'équipe travaille également sur des polymères poreux à base de HATN pour une utilisation comme matériaux de cathode organique, ce qui devrait améliorer le flux d'ions pendant la charge et la décharge de la batterie.