Des chercheurs de l'Université de technologie de Toyohashi ont démontré les performances électrochimiques des batteries lithium-ion (LIB) à l'aide d'électrodes en nanotubes de carbone encapsulées dans du phosphore, dans lequel du phosphore rouge à haute capacité est introduit dans l'espacement interne des nanotubes de carbone (CNT). Les électrodes ont indiqué une amélioration de la réactivité électrochimique du phosphore rouge lorsque les voies accessibles des ions lithium, c'est à dire., nanopores, se sont formés sur les parois latérales des NTC où le phosphore rouge était encapsulé. Par ailleurs, les profils de charge-décharge et l'analyse structurelle ont révélé des réactions électrochimiques réversibles et la stabilité structurelle relativement élevée du phosphore rouge dans les nanotubes, même après le 50e cycle de charge-décharge. Les capacités de charge-décharge montrent une valeur au moins deux fois supérieure à celle du graphite utilisé dans les LIB commerciaux. Par conséquent, un nouveau matériau d'électrode pour les LIB à haute capacité est proposé.

Le phosphore rouge a attiré l'attention en tant que matériau d'électrode capacitif plus élevé pour les LIB, car il peut fournir une capacité théorique environ sept fois supérieure à celle du graphite utilisé comme matériau d'électrode commercial pour les LIB. On pense que la grande différence de capacité est due à une quantité acceptable d'ions lithium dans les structures du graphite pour LiC 6 ou phosphore pour Li 3 P. Cependant, le phosphore rouge subit d'énormes changements volumétriques, pulvérisation, et décollement pendant les processus d'insertion et d'extraction d'ions lithium, entraînant une décoloration rapide de la capacité en raison de la diminution de la quantité de phosphore rouge électrochimiquement réactif. En outre, tandis que les électrons se déplacent sur l'électrode lors de l'insertion/extraction des ions lithium, le phosphore rouge présente un inconvénient en termes de perte d'énergie en raison de sa faible conductivité électronique.

Comme le montre la figure 1 (à gauche), Tomohiro Tojo et ses collègues du Département de génie électrique et électronique de l'information, Université de technologie de Toyohashi, ont synthétisé des structures uniques dans lesquelles le phosphore rouge est encapsulé dans l'espacement interne des NTC pour empêcher son décollement de l'électrode et améliorer sa conductivité électronique. Pour améliorer la réactivité électrochimique du phosphore rouge grâce aux voies accessibles des ions lithium, nanopores ( <5 nm) ont également été formés sur les parois latérales des NTC encapsulés dans du phosphore, comme le montre la figure 1 (à droite). Après encapsulation au phosphore, La figure 1 (à gauche) montre que les atomes de phosphore étaient répartis à l'intérieur des nanotubes, confirmant la stabilité structurelle du phosphore rouge.

En utilisant des électrodes CNT encapsulées au phosphore, une capacité réversible a montré environ 850 mAh/g au cinquantième cycle de charge-décharge, comme le montre la figure 2 (à gauche). Il s'agissait d'une valeur au moins deux fois supérieure à celle des électrodes en graphite. La figure 2 (à droite) montre le rapport estimé des capacités de charge et de décharge (rendements coulombiens) de> 99% après le dixième cycle et les cycles suivants, ce qui indique une forte réversibilité des réactions de charge-décharge sur le phosphore rouge. Cependant, les capacités de charge-décharge diminuaient progressivement avec l'augmentation du nombre de cycles en raison de la dissociation de certaines liaisons P-P et d'autres réactions secondaires à la surface du phosphore et des NTC. De façon intéressante, le NTC encapsulé au phosphore avec nanopores a facilité l'amélioration significative des performances électrochimiques par rapport au NTC encapsulé au phosphore sans nanopores. Ceci est suggéré pour être dû à la réactivité élevée du phosphore rouge avec les ions lithium à travers les nanopores sur les parois latérales. Après les cycles de charge-décharge, du phosphore rouge a été observé à l'intérieur des nanotubes, comme c'est le cas illustré sur la figure 1 (à gauche).

Nous avons proposé des NTC encapsulés au phosphore comme matériau d'électrode pour les LIB à haute capacité, même si des améliorations supplémentaires dans les structures sont nécessaires pour réaliser un cycle à long terme sans évanouissement de la capacité. D'autres études seront menées sur l'utilisation de telles électrodes.