En introduisant un grand nombre de protubérances sur les couches de graphène lors de la synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), les scientifiques ont fabriqué du graphène à double couche intrinsèquement dépilé avec une surface spécifique élevée, excellente conductivité électrique, et la structure mésoporeuse. Le graphène double couche dépilé, décrit dans le journal Communication Nature , pourraient être d'excellents matériaux de cathode pour les batteries lithium-soufre haute puissance.
Le graphène est un matériau fonctionnel prometteur pour une variété d'applications, y compris le stockage d'énergie en raison de ses propriétés électriques et mécaniques extraordinaires. Cependant, les couches de graphène ont tendance à s'empiler les unes avec les autres en raison de leur énorme surface et des fortes interactions π-π entre le graphène multicouche avec une distance intercouche d'environ. 0,334 nm. Cet empilement se traduit par une surface beaucoup plus petite du graphène obtenu, avec de mauvaises performances de stockage d'énergie. Il est nécessaire d'éviter l'empilement pour amplifier les propriétés intrinsèques du graphène et faciliter l'application pratique.
Les chercheurs ont exploré de nombreuses nouvelles approches pour inhiber l'empilement du graphène. La plupart d'entre eux reposent sur l'introduction d'espaceurs tels que les oxydes métalliques, polymères conducteurs, noir carbone, ou des nanotubes de carbone dans les espaces intercalaires. Cependant, de tels processus d'hybridation provoquent inévitablement des changements dans les propriétés intrinsèques du graphène et/ou induisent de mauvaises interfaces.
Des scientifiques de l'Université de Tsinghua (Chine) ont maintenant réussi à fabriquer du graphène à double couche intrinsèquement désempilé par CVD dirigé par modèle. Une équipe dirigée par le professeur Qiang Zhang et Fei Wei a exploré l'idée d'utiliser des nanoflocons mésoporeux comme modèle. Les couches de graphène sont déposées sur le modèle mésoporeux et coulées dans sa structure mésoporeuse, où les atomes de carbone déposés dans les mésopores forment les protubérances de graphène et agissent comme espaceurs pour empêcher l'empilement des couches de graphène déposées des deux côtés des flocons mésoporeux. Par conséquent, le graphène modèle à double couche composé de deux couches de graphène avec un grand nombre de protubérances peut être récupéré après l'élimination des flocons mésoporeux.
"La présence d'un grand nombre de mésopores dans le modèle de nanoflocon donne lieu à des protubérances avec une densité élevée d'environ 5,8 × 10 14 m -2 et les tailles allaient de 2 à 7 nm entre les couches de graphène, " Meng-Qiang Zhao, premier auteur, a déclaré à Phys.org. " Les protubérances jouent un rôle important dans la prévention de l'empilement des couches de graphène. Outre, la présence de telles protubérances à la surface du graphène peut affaiblir les interactions π-π entre les couches de graphène et ainsi empêcher l'empilement du graphène modèle à double couche voisin dans une certaine mesure. le graphène double couche présente une surface spécifique élevée de 1628 m 2 g-1, mésopores abondants avec une taille allant de 2 à 7 nm, et un volume poreux total de 2,0 cm 3 g -1 .
Les batteries lithium-soufre sont l'une des technologies de stockage d'énergie les plus prometteuses en raison de leur densité énergétique élevée. Cependant, leur densité de puissance et leur faible stabilité en cyclage ont toujours été un obstacle majeur à leur application pratique. Lors de l'utilisation du graphène à double couche non empilé comme matériaux de cathode, les scientifiques ont pu fabriquer des batteries lithium-soufre avec d'excellentes performances à haute puissance. Capacités réversibles élevées de 1034 et 734 mA h g -1 ont été obtenus à des taux de décharge élevés de 5 et 10 C, respectivement. Même après 1000 cycles, hautes capacités réversibles d'env. 530 et 380 mA h g -1 ont été retenus à 5 et 10 C, avec des constantes d'efficacité coulombiques à env. 96 et 98 %, respectivement.
« L'excellente performance à haute puissance peut être attribuée à l'extraordinaire conductivité électrique et à la structure mésoporeuse unique du graphène à double couche non empilé, " a expliqué le professeur Zhang. La structure poreuse unique du graphène à double couche non empilé permet le stockage efficace du soufre dans l'espace intercalaire lamellaire mésodimensionné, ce qui donne lieu à une liaison efficace entre le soufre et le graphène et empêche la diffusion des polysulfures dans l'électrolyte. Par conséquent, une excellente performance à haute puissance des cellules lithium-soufre avec une capacité élevée et une bonne stabilité est obtenue.
« Nous nous attendons à ce que les matériaux de graphène à double couche non empilés présentent un potentiel dans les applications de protection de l'environnement, nanocomposites, appareils électroniques, et de soins personnels en raison de leur grande surface intrinsèque, conductivité thermique et électrique extraordinaire, échafaudage 3D robuste, chimie de surface accordable, et interface biocompatible, " a déclaré le professeur Zhang, « Parce que les nanostructures en couches non empilées ne se limitent pas au graphène, nous prévoyons une nouvelle branche de la chimie évoluant dans la stabilisation des nanostructures à travers des systèmes poreux topologiques 3D."
