Une nouvelle matière carbonée pour booster la performance des batteries

Des chercheurs de l’Université de Stanford ont créé une nouvelle matière carbonée qui augmente de manière significative les performances des technologies de stockage d’énergie ; leur résultat est en couverture de la revue ACS Central Science.

« Nous avons développé un matériau carboné à la fois polyvalent et contrôlable« , a déclaré Zhenan Bao, auteur principal de l’étude et professeur de génie chimique à l’Université de Stanford. « Notre étude montre que celui-ci possède une capacité de stockage d’énergie exceptionnelle, offrant des performances inégalées à la fois dans les super-condensateurs et les batteries au lithium-soufre. »

Selon Zhenan Bao, ce nouveau matériau carboné représente une amélioration spectaculaire par rapport au charbon actif classique, peu coûteux et largement utilisé dans des produits allant des filtres à eau à des dispositifs de stockage d’énergie.

« Beaucoup de charbon activé, bon marché, sont fabriqués à partir de noix de coco« , a expliqué le scientifique. « Pour rendre le carbone actif, les fabricants brûlent de la noix de coco à des températures élevées et les traitent ensuite chimiquement. » Le processus d’activation génère des trous (ou des pores) d’une taille nanométrique, qui augmentent l’aire de surface du carbone, ce qui lui permet de catalyser plusieurs réactions chimiques et stocker des charges électriques.

Mais le charbon actif présente de gros inconvénients. Par exemple, il existe peu d’interconnexion entre les pores, ce qui limite leur aptitude à transporter l’électricité.

« Avec le charbon actif, il n’y a aucun moyen de contrôler la connectivité des pores« , a ajouté le professeur Bao. « En outre, beaucoup d’impuretés comme des coques de noix ou d’autres matières brutes s’inscrutent sur le carbone. Comme filtre, le charbon actif classique reste très utile, mais il ne fournit pas suffisamment de performance pour les appareils électroniques et les applications de stockage d’énergie.« 

Réseaux 3-D

Aussi, au lieu d’utiliser des coques de noix de coco, le Pr. Bao et ses collègues ont développé une nouvelle façon de synthétiser du carbone haute qualité en utilisant des produits chimiques et des polymères à bas coût.

Le processus commence par la réalisation d’hydrogel, un polymère à base d’eau doté d’une texture spongieuse similaire à une lentille de contact souple. « Les polymères d’hydrogel forment un cadre interconnecté, en trois dimensions, idéal pour conduire l’électricité (…) Ce cadre comprend également des molécules organiques fonctionnelles et des atomes tels que l’azote, qui nous permet d’ajuster les propriétés électroniques du carbone » a une nouvelle fois précisé Zhenan Bao.

Pour cette étude, l’équipe de Stanford a utilisé un processus de carbonisation et d’activation légère pour convertir les structures organiques polymères en feuilles de carbone d’une épaisseur nanométrique. « Les feuilles de carbone forment un réseau 3-D qui possède une bonne connectivité des pores et à haute conductivité électronique« , a déclaré l’étudiant diplômé John TO. co-auteur principal de l’étude. « Nous avons également ajouté de l’hydroxyde de potassium pour activer chimiquement les feuilles de carbone et augmenter leur surface. »

Le nouveau carbone peut être utilisé pour une une variété d’applications.

Super-condensateur

Pour voir comment le nouveau matériau se comporte en conditions réelles, l’équipe de Stanford a fabriqué des électrodes couvertes de cette nouvelle matière carbonnée avant de les intégrer dans des batteries et dans des super-condensateurs au lithium-soufre.

« Les super-condensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie largement utilisés dans le transport et l’électronique en raison de leur capacité de charge et décharge ultra-rapide« , a déclaré le chercheur postdoctoral Zheng Chen. « Concernant les super-condensateurs, le matériau carboné idéal se doit de posséder une densité élevée afin de stocker des charges électriques à haute conductivité lors du transport des électrons et une architecture adéquate permettant le mouvement rapide des ions de la solution d’électrolyte à la surface du carbone. »

Dans l’expérience, un courant a été appliqué sur des super-condensateurs équipés des nouveaux types d’électrode carbonée. Les résultats ont été spectaculaires. La conductivité électrique a été multipliée d’un facteur 3 par rapport à des électrodes en charbon actif classique. « Nous avons également constaté que notre matériau carboné améliorait le taux de la puissance électrique transportée et favorisait la stabilité des électrodes« , a ajouté le Pr. Bao.

Batterie

Des tests ont également été menés sur des batteries lithium-soufre, une technologie prometteuse mais dotée d’un inconvénient de taille : Lorsque le lithium et le soufre réagissent, ils produisent des molécules de polysulfure de lithium pouvant s’échapper de l’électrode vers l’électrolyte. Cela a pour conséquence d’endommager sérieusement la batterie.

L’équipe de chercheurs a découvert que les électrodes réalisées avec le nouveau matériau carbone étaient en mesure de piéger « ces satanés » polysulfures, améliorant du coup les performances de la batterie.

« Nous pouvons facilement concevoir des électrodes avec de minuscules pores. Cela permet aux ions lithium de se diffuser à travers le carbone, mais empêchent les polysulfures de se disperser« , a conclu le Pr. Bao. « Notre matériau carbone est simple à fabriquer, relativement peu cher et satisfait à toutes les exigences pour obtenir des électrodes à haute performance. »