Une équipe de recherche conjointe de l'Université de Tohoku et de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) a réalisé une avancée significative vers les batteries lithium-ion sans métal à haute tension qui utilisent une petite molécule organique, l'acide croconique. Cette percée nous rapproche de la réalisation de batteries lithium-ion sans métal, à haute énergie et peu coûteuses.

Contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles, qui dépendent de matériaux de terres rares tels que le cobalt et le lithium, les batteries organiques exploitent des éléments naturellement abondants tels que le carbone, l'hydrogène, l'azote et l'oxygène. De plus, les batteries organiques ont des capacités théoriques supérieures aux batteries lithium-ion conventionnelles car leur utilisation de matériaux organiques les rend légères. Cependant, la plupart des batteries organiques signalées à ce jour possèdent une tension de fonctionnement relativement faible (1 à 3 V). L'augmentation de la tension des batteries organiques conduira à des batteries à densité d'énergie plus élevée.

Itaru Honma, professeur de chimie à l'Institut de recherche multidisciplinaire sur les matériaux avancés de l'Université de Tohoku, Hiroaki Kobayashi, professeur adjoint de chimie à l'Université de Tohoku, et Yuto Katsuyama, étudiant diplômé à l'UCLA, ont découvert que l'acide croconique, lorsqu'il est utilisé comme lithium -Matériau de cathode de batterie ionique, maintient une forte tension de fonctionnement d'environ 4 V.

L'acide croconique a cinq atomes de carbone liés les uns aux autres sous une forme pentagonale, et chacun des carbones est lié à l'oxygène. Il a également une capacité théorique élevée de 638,6 mAh/g, ce qui est beaucoup plus élevé que les matériaux de cathode de batterie lithium-ion conventionnels (LiCoO2 ~ 140 mAh/g). "Nous avons étudié le comportement électrochimique de l'acide croconique dans la plage de haute tension supérieure à 3 V à l'aide de calculs théoriques et d'expériences électrochimiques", a déclaré Kobayashi. "Nous avons découvert que l'acide croconique stocke les ions lithium à environ 4 V, ce qui donne une densité d'énergie théorique très élevée de 1 949 Wh/kg, ce qui est supérieur à la plupart des batteries lithium-ion inorganiques et organiques."

Bien que la capacité théorique n'ait pas été atteinte dans cette étude, les chercheurs sont optimistes, cela peut être amélioré par le développement d'électrolytes stables à haute tension et par des modifications chimiques de l'acide croconique. Étant donné que la plupart des électrolytes ne peuvent pas supporter une tension de fonctionnement aussi élevée de l'acide croconique, le développement de nouveaux électrolytes est vital. De plus, les structures de petites molécules organiques, y compris l'acide croconique, peuvent être facilement modifiées. Une modification structurelle appropriée peut stabiliser la molécule, conduisant à une plus grande capacité et réversibilité.

La recherche est publiée dans Advanced Science . + Explorer plus loin

Un pas de plus vers les piles domestiques biodégradables