Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory ont découvert que les batteries lithium-ion fonctionnent plus longtemps et plus rapidement lorsque leurs électrodes sont traitées à l'hydrogène.

Les batteries lithium-ion (LIB) sont une classe de types de batteries rechargeables dans lesquelles les ions lithium se déplacent de l'électrode négative à l'électrode positive pendant la décharge et inversement lors de la charge.

La demande croissante de stockage d'énergie souligne le besoin urgent de batteries plus performantes. Plusieurs caractéristiques clés des performances de la batterie lithium-ion :capacité, tension et densité d'énergie - sont finalement déterminés par la liaison entre les ions lithium et le matériau de l'électrode. Des changements subtils dans la structure, la chimie et la forme d'une électrode peuvent affecter de manière significative la force avec laquelle les ions lithium se lient.

Par des expériences et des calculs, l'équipe de Livermore a découvert que les électrodes en nanomousse de graphène traitées à l'hydrogène dans les LIB présentent une capacité plus élevée et un transport plus rapide.

"Ces résultats fournissent des informations qualitatives pour aider à la conception de matériaux à base de graphène pour les électrodes haute puissance, " a déclaré Morris Wang, un scientifique des matériaux du LLNL et co-auteur d'un article paru dans l'édition du 5 novembre de Nature Rapports scientifiques .

Les batteries lithium-ion gagnent en popularité pour les véhicules électriques et les applications aérospatiales. Par exemple, les batteries au lithium-ion sont en train de remplacer les batteries au plomb qui ont été utilisées historiquement pour les voiturettes de golf et les véhicules utilitaires. Au lieu de plaques de plomb lourdes et d'électrolytes acides, la tendance est d'utiliser des packs de batteries lithium-ion légers qui peuvent fournir la même tension que les batteries plomb-acide sans nécessiter de modification du système d'entraînement du véhicule.

Applications commerciales de matériaux de graphène pour les dispositifs de stockage d'énergie, y compris les batteries lithium-ion et les supercondensateurs, dépendent essentiellement de la capacité de produire ces matériaux en grandes quantités et à faible coût. Cependant, les méthodes de synthèse chimique fréquemment utilisées laissent derrière elles des quantités importantes d'hydrogène atomique, dont l'effet sur les performances électrochimiques des dérivés du graphène est difficile à déterminer.

C'est pourtant ce que les scientifiques de Livermore ont fait. Leurs expériences et leurs calculs à plusieurs échelles révèlent qu'un traitement délibéré à basse température du graphène riche en défauts avec de l'hydrogène peut réellement améliorer la capacité de débit. L'hydrogène interagit avec les défauts du graphène et ouvre de petits espaces pour faciliter la pénétration du lithium, ce qui améliore le transport. Une capacité réversible supplémentaire est fournie par une liaison au lithium améliorée près des bords, où l'hydrogène est le plus susceptible de se lier.

« L'amélioration des performances que nous avons constatée dans les électrodes est une percée qui a des applications dans le monde réel, " dit Jianchao Ye, qui est chercheur postdoctoral à la division Science des matériaux du laboratoire, et le principal auteur de l'article.

Etudier l'implication de l'hydrogène et des défauts hydrogénés dans la capacité de stockage du lithium du graphène, l'équipe a appliqué diverses conditions de traitement thermique combinées à une exposition à l'hydrogène et a examiné les performances électrochimiques des électrodes 3-D en nanomousse de graphène (GNF), qui sont composés principalement de graphène défectueux. L'équipe a utilisé des nano-mousses de graphène 3D en raison de leurs nombreuses applications potentielles, dont le stockage d'hydrogène, catalyse, filtration, isolation, absorbants d'énergie, dessalement capacitif, supercondensateurs et LIB.

La nature sans liant de la mousse de graphène 3D les rend idéales pour les études mécanistiques sans les complications causées par les additifs.

"Nous avons trouvé une capacité de débit considérablement améliorée dans les électrodes en nanomousse de graphène après traitement à l'hydrogène. En combinant les résultats expérimentaux avec des simulations détaillées, nous avons pu retracer les améliorations apportées aux interactions subtiles entre les défauts et l'hydrogène dissocié. Cela entraîne quelques petits changements dans la chimie et la morphologie du graphène qui s'avèrent avoir un effet étonnamment énorme sur les performances, " a déclaré Brandon Wood, scientifique du LLNL, qui a dirigé l'effort théorique sur le papier.

La recherche suggère que le traitement à l'hydrogène contrôlé peut être utilisé comme stratégie pour optimiser le transport du lithium et le stockage réversible dans d'autres matériaux d'anode à base de graphène.