Une nouvelle étude menée par des chercheurs chinois démontre une nouvelle approche pour améliorer les performances de stockage des batteries et des condensateurs. Les chercheurs ont développé un moyen simple mais efficace de produire un matériau avec d'excellentes performances pour une utilisation dans des appareils qui reposent sur le stockage lithium-ion.

Ils ont publié leurs découvertes dans Nano Research le 1er avril.

Pourquoi le lithium ?

Les technologies de stockage d'énergie sont de plus en plus importantes à mesure que le monde évolue vers la neutralité carbone, cherchant à électrifier davantage les secteurs de l'automobile et des énergies renouvelables. La technologie lithium-ion est essentielle pour alimenter ce changement.

"Parmi tous les candidats disponibles, les dispositifs de stockage d'énergie utilisant la chimie de stockage au lithium, tels que les batteries lithium-ion et les condensateurs lithium-ion, pourraient offrir les meilleures performances au stade actuel", déclare l'auteur de l'étude Han Hu, chercheur à l'Institut. of New Energy, China University of Petroleum.

Cependant, l'utilisation de la technologie lithium-ion dans le stockage d'énergie est limitée par son efficacité par rapport à la taille. Une étude de 2021 citée par les auteurs affirme que pour améliorer la compétitivité du marché des véhicules électriques, les batteries lithium-ion doivent devenir plus efficaces à la fois en poids et en volume. Une amélioration supplémentaire de la capacité de stockage peut donc être essentielle pour atteindre les objectifs de neutralité carbone, rendant la recherche sur les performances des batteries lithium-ion et des condensateurs via l'utilisation de nouveaux matériaux d'une importance primordiale.

Construire un nouveau matériau

Les matériaux carbonés dopés à l'azote sont actuellement le choix dominant dans les accumulateurs et condensateurs au lithium, le transfert d'électrons et d'ions étant le processus fondamental du stockage électrochimique de l'énergie. Cependant, étant donné que les matériaux carbonés sont non polaires (avec des charges réparties également sur leurs molécules), le lithium chargé (Li ⁺ ) n'adhère pas facilement aux matériaux, malgré sa configuration insaturée qui lui confère une énergie de liaison adéquate.

Les chercheurs ont donc mélangé des nanofibres de carbone avec du fer (Fe) pour réguler leur chimie de surface afin de faciliter un transfert accru d'électrons et d'ions. En utilisant l'électrofilage, ils ont produit une série d'échantillons de nanofibres de carbone contenant du Fe. Ils ont ensuite évalué le Li ⁺ performances de stockage des échantillons à l'aide de diverses méthodes de test électrochimiques. Scanning and transmission electron microscopy revealed a 3D interconnected network of smooth fibers with no clumps of iron particles, indicating that they were well dispersed.

The results revealed that adding atomic Fe changed the electronic structure of the carbon materials to promote more electrical conductivity as well as reduce the diffusion resistance of the Li ⁺ . The researchers explain that the electrochemical performance was enhanced mainly through a synergistic effect of the atomic Fe and the formation of an Fe-N bond that exposed more active sties to which Li ⁺ could adhere. The outcome was improvement in lithium storage performance. The manufactured anode delivered sustained electric power through 5000 cycles of high current density, providing both high energy and large power density. Its interlaced fiber structure conferred structural stability and improved conductivity.

Study author Yanan Li, also a researcher at the China University of Petroleum, explains how the materials conformation pioneered in this study "achieved kinetically accelerated Li ⁺ storage and decent performance at high mass loadings," using "a simple method to produce atomic Fe decorated carbon nanofibers."

Looking forward

The study authors emphasize that the use of carbon nanofibers could bridge the gap between basic research and practical applications. They anticipate adoption of the novel material for use in a range of energy storage devices. "The electrospun carbon nanofiber mats are highly flexible, suggesting their possibility of constructing flexible and wearable energy storage devices," says Hu. The carbon nanofiber mats would serve as the electrodes. Also, say the researchers, they aim to explore the use of other single atom metals sodium, potassium, and zinc for augmenting storage of electrochemical energy. + Explorer plus loin

Eliminating the bottlenecks in performance of lithium-sulfur batteries