Des chercheurs de l'Université Queen Mary de Londres, L'Université de Cambridge et le Max Planck Institute for Solid State Research ont découvert comment une pincée de sel peut être utilisée pour améliorer considérablement les performances des batteries.

Ils ont découvert que l'ajout de sel à l'intérieur d'une éponge supermoléculaire, puis sa cuisson à haute température transformaient l'éponge en une structure à base de carbone.

Étonnamment, le sel a réagi avec l'éponge de manière spéciale et l'a transformée d'une masse homogène en une structure complexe avec des fibres, entretoises, piliers et toiles. Ce type de structure de carbone organisée hiérarchiquement en 3D s'est avérée très difficile à développer en laboratoire, mais est crucial pour assurer un transport d'ions sans entrave vers les sites actifs d'une batterie.

Dans l'étude, Publié dans JACS ( Journal de l'American Chemical Society ), les chercheurs démontrent que l'utilisation de ces matériaux dans les batteries lithium-ion permet non seulement de recharger rapidement les batteries, mais aussi à l'une des capacités les plus élevées.

En raison de leur architecture complexe, les chercheurs ont appelé ces structures « nano-diatomées », et croient qu'ils pourraient également être utilisés dans le stockage et la conversion d'énergie, par exemple comme électrocatalyseurs pour la production d'hydrogène.

Auteur principal et chef de projet Dr Stoyan Smoukov, de la Queen Mary's School of Engineering and Materials Science, a déclaré:"Cette métamorphose ne se produit que lorsque nous chauffons les composés à 800 degrés centigrades et était aussi inattendue que l'éclosion de dragons nés de feu au lieu d'avoir des œufs au four dans Game of Thrones. Il est très satisfaisant qu'après la surprise initiale, nous avons également découvert comment contrôler les transformations avec la composition chimique."

Carbone, dont le graphène et les nanotubes de carbone, est une famille des matériaux les plus polyvalents de la nature, utilisé en catalyse et en électronique en raison de sa conductivité et de sa stabilité chimique et thermique.

Les nanostructures 3D à base de carbone avec plusieurs niveaux de hiérarchie peuvent non seulement conserver des propriétés physiques utiles comme une bonne conductivité électronique, mais peuvent également avoir des propriétés uniques. Ces matériaux à base de carbone 3-D peuvent présenter une mouillabilité améliorée (pour faciliter l'infiltration ionique), haute résistance par unité de poids, et les voies directionnelles pour le transport des fluides.

Il est, cependant, très difficile de faire des structures hiérarchiques multi-niveaux à base de carbone, notamment par des voies chimiques simples, pourtant ces structures seraient utiles si de tels matériaux devaient être fabriqués en grandes quantités pour l'industrie.

L'éponge supermoléculaire utilisée dans l'étude est également connue sous le nom de matériau de charpente organique métallique (MOF). Ces MOF sont attractifs, matériaux poreux de conception moléculaire avec de nombreuses applications prometteuses telles que le stockage et la séparation de gaz. Le maintien d'une grande surface spécifique après carbonisation – ou cuisson à haute température – les rend intéressants comme matériaux d'électrodes pour batteries. Cependant, Jusqu'à présent, la carbonisation des MOF a préservé la structure des particules initiales comme celle d'une mousse de carbone dense. En ajoutant des sels à ces éponges MOF et en les carbonisant, les chercheurs ont découvert une série de matériaux à base de carbone avec plusieurs niveaux de hiérarchie.

Dr R. Vasant Kumar, un collaborateur de l'étude de l'Université de Cambridge, a commenté:"Ce travail pousse l'utilisation des MOF à un nouveau niveau. La stratégie de structuration des matériaux carbonés pourrait être importante non seulement dans le stockage d'énergie mais aussi dans la conversion d'énergie, et sentir."

Auteur principal, Tiesheng Wang (王铁胜), de l'Université de Cambridge, a dit :" Potentiellement, nous pourrions concevoir des nano-diatomées avec les structures souhaitées et les sites actifs incorporés dans le carbone car il y a des milliers de MOF et de sels à sélectionner. »