La hiérarchie structurelle est la pierre angulaire du monde biologique, ainsi que la leçon la plus importante que nous ayons apprise de la nature pour développer des matériaux poreux hiérarchiques ingénieux pour diverses applications dans la conversion et le stockage d'énergie. Récemment, un groupe de recherche de Chine, dirigé par le professeur Qiang Zhang à l'Université Tsinghua, a développé un nouveau type de graphène poreux hiérarchique (HPG) via un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) polyvalent sur des modèles CaO pour les batteries lithium-soufre (Li-S) haute puissance. Ce travail est publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .

"En raison de la demande urgente de systèmes énergétiques durables et de dispositifs portables de stockage d'énergie, la batterie Li-S a été citée comme l'alternative la plus prometteuse pour les dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération, en raison de sa densité énergétique théorique élevée de 2600 Wh kg-1, à bas prix, et éco-responsabilité, " a déclaré le professeur Zhang. " Malgré ces avantages, l'application pratique souffre encore d'un formidable défi du fait de l'isolation intrinsèque des sulfures de soufre et de lithium, la dissolution des polysulfures avec effet navette, et l'énorme changement de volume des matériaux cathodiques pendant le fonctionnement."

Les chercheurs ont cherché à développer des matériaux nanocarbonés hiérarchiques avec des hiérarchies structurelles et des caractéristiques de surface ajustables à utiliser comme échafaudages cathodiques Li-S pour résoudre efficacement ces problèmes. Les matériaux poreux hiérarchiques présentent des porosités sur plus d'une échelle de longueur avec des propriétés et des rôles différents, respectivement. Il est important pour l'amélioration des performances des batteries Li-S.

"Toutefois, les stratégies avec un processus multi-étapes ou/et des modèles multi-échelles sont majoritairement employées pour obtenir des porosités hiérarchiques. C'est toujours compliqué et défavorable à la réglementation de la structure, " dit Cheng Tang, un étudiant diplômé et le premier auteur.

Pour la première fois, Cheng a proposé les particules de CaO poreuses hiérarchiques comme modèles catalytiques efficaces pour la croissance CVD facile du graphène. Le CaO est un matériau très courant et prometteur avec un faible coût, purification facile, et une utilisation cyclique prometteuse. En outre, diverses structures hiérarchiques peuvent être facilement obtenues pour CaO, ce qui en fait une stratégie polyvalente pour fabriquer des matériaux HPG avec une hiérarchie structurelle réglable.

Sur la base de ce concept, ils ont obtenu une structure poreuse hiérarchique de graphène avec d'abondantes lacunes microscopiques dans le plan, pores ridés mesosized, et des cavités à entretoises macrodimensionnées. Il peut servir d'échafaudage favorable pour les cathodes des batteries Li-S avec une meilleure utilisation du soufre, haute capacité de décharge et efficacité, stabilité supérieure, et une excellente capacité de taux. Les petits mésopores facilitent le piégeage du soufre et des polysulfures; les micropores et les couches de graphène défectueuses avec une haute SSA supportent une charge élevée en soufre avec une affinité intime; les grands mésopores et macropores interconnectés raccourcissent la distance de transport des ions et de l'électrolyte.

"Nous espérons que la nouvelle stratégie de fabrication de matériaux de graphène poreux hiérarchiques pourra améliorer les propriétés des échafaudages cathodiques pour l'application pratique des batteries Li-S." dit Qiang. D'autres améliorations sont attendues avec une conception plus méticuleuse de la structure hiérarchique et une modification de surface supplémentaire. L'idée présentée ici ouvre de nouvelles perspectives pour développer du graphène nanoarchitecture avec des catalyseurs d'oxydes métalliques, qui est frais mais polyvalent vers des structures accordables, propriétés variables, et des applications prometteuses.