Des scientifiques de l'Université de Stanford ont créé un nouveau matériau carboné qui améliore considérablement les performances des technologies de stockage d'énergie. Leurs résultats font la couverture de la revue ACS Science centrale .

« Nous avons développé un ‘designer carbon’ à la fois polyvalent et contrôlable, " dit Zhenan Bao, l'auteur principal de l'étude et professeur de génie chimique à Stanford. « Notre étude montre que ce matériau a une capacité de stockage d'énergie exceptionnelle, permettant des performances sans précédent dans les batteries lithium-soufre et les supercondensateurs."

Selon Bao, le nouveau carbone design représente une amélioration spectaculaire par rapport au charbon actif conventionnel, un matériau peu coûteux largement utilisé dans des produits allant des filtres à eau et des désodorisants d'air aux dispositifs de stockage d'énergie.

"Beaucoup de charbon actif bon marché est fabriqué à partir de coques de noix de coco, " dit Bao. " Pour activer le charbon, les fabricants brûlent la noix de coco à haute température puis la traitent chimiquement."

Le processus d'activation crée des trous nanométriques, ou pores, qui augmentent la surface du carbone, lui permettant de catalyser plus de réactions chimiques et de stocker plus de charges électriques.

Mais le charbon actif présente de sérieux inconvénients, dit Bao. Par exemple, il y a peu d'interconnectivité entre les pores, ce qui limite leur capacité à transporter l'électricité.

"Avec charbon actif, il n'y a aucun moyen de contrôler la connectivité des pores, " dit Bao. " Aussi, beaucoup d'impuretés provenant des coques de noix de coco et d'autres matières premières premières sont transportées dans le carbone. En tant que déodorant pour réfrigérateur, le charbon actif conventionnel est bien, mais il n'offre pas des performances suffisamment élevées pour les appareils électroniques et les applications de stockage d'énergie."

Réseaux 3D

Au lieu d'utiliser des coques de noix de coco, Bao et ses collègues ont développé une nouvelle façon de synthétiser du carbone de haute qualité en utilisant des produits chimiques et des polymères peu coûteux et non contaminés.

Le processus commence par la conduite d'hydrogel, un polymère à base d'eau avec une texture spongieuse similaire aux lentilles de contact souples.

"Les polymères hydrogels forment un ensemble interconnecté, cadre tridimensionnel idéal pour conduire l'électricité, " a déclaré Bao. " Ce cadre contient également des molécules organiques et des atomes fonctionnels, comme l'azote, qui nous permettent d'ajuster les propriétés électroniques du carbone."

Pour l'étude, l'équipe de Stanford a utilisé un processus de carbonisation et d'activation doux pour convertir les structures organiques du polymère en feuilles de carbone de l'épaisseur du nanomètre.

"Les feuilles de carbone forment un réseau 3-D qui a une bonne connectivité des pores et une conductivité électronique élevée, " a déclaré l'étudiant diplômé John To, un co-auteur principal de l'étude. "Nous avons également ajouté de l'hydroxyde de potassium pour activer chimiquement les feuilles de carbone et augmenter leur surface."

Le résultat :du carbone design qui peut être affiné pour une variété d'applications.

"Nous l'appelons carbone designer car nous pouvons contrôler sa composition chimique, la taille des pores et la surface spécifique en changeant simplement le type de polymères et de liants organiques que nous utilisons, ou en ajustant la quantité de chaleur que nous appliquons pendant le processus de fabrication, " A dit.

Par exemple, augmenter la température de traitement de 750 degrés Fahrenheit (400 degrés Celsius) à 1, 650 F (900 C) a entraîné une augmentation de 10 fois du volume des pores.

Le traitement ultérieur a produit un matériau de carbone avec une surface spécifique record de 4, 073 mètres carrés par gramme - l'équivalent de trois terrains de football américain emballés dans une once de carbone. La surface maximale atteinte avec du charbon actif conventionnel est d'environ 3, 000 mètres carrés par gramme.

« Une grande surface est essentielle pour de nombreuses applications, y compris l'électrocatalyse, stocker l'énergie et capter les émissions de dioxyde de carbone des usines et des centrales électriques, " dit Bao.

Supercondensateurs

Pour voir comment le nouveau matériau s'est comporté dans des conditions réelles, l'équipe de Stanford a fabriqué des électrodes recouvertes de carbone et les a installées dans des batteries lithium-soufre et des supercondensateurs.

"Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d'énergie largement utilisés dans les transports et l'électronique en raison de leur capacité de charge et de décharge ultra-rapide, " a déclaré le chercheur postdoctoral Zheng Chen, un co-auteur principal. "Pour les supercondensateurs, le matériau carbone idéal a une grande surface de stockage des charges électriques, une conductivité élevée pour le transport des électrons et une architecture de pores appropriée qui permet le mouvement rapide des ions de la solution électrolytique à la surface du carbone."

Dans l'expérience, un courant a été appliqué à des supercondensateurs équipés d'électrodes designer-carbone.

Les résultats ont été dramatiques. La conductivité électrique a triplé par rapport aux électrodes de supercondensateurs en charbon actif conventionnel.

"Nous avons également constaté que notre concepteur de carbone améliorait le taux de livraison de puissance et la stabilité des électrodes, " ajouta Bao.

Piles

Des tests ont également été menés sur des batteries lithium-soufre, une technologie prometteuse avec un grave défaut :lorsque le lithium et le soufre réagissent, ils produisent des molécules de polysulfure de lithium, qui peut fuir de l'électrode dans l'électrolyte et provoquer la défaillance de la batterie.

L'équipe de Stanford a découvert que les électrodes fabriquées avec du carbone de conception peuvent piéger ces polysulfures embêtants et améliorer les performances de la batterie.

"Nous pouvons facilement concevoir des électrodes avec de très petits pores qui permettent aux ions lithium de diffuser à travers le carbone mais empêchent les polysulfures de s'échapper, " a déclaré Bao. "Notre concepteur de carbone est simple à fabriquer, relativement bon marché et répond à toutes les exigences critiques pour les électrodes hautes performances."