Comment les superstructures de carbone pourraient révolutionner l’énergie

Les superstructures de carbone (SCC) pourraient un jour modifier l’utilisation du carbone en tant que source d’énergie, offrant ainsi des performances et une durabilité supérieures aux matériaux standard dans les dispositifs de stockage et de conversion d’énergie.

Les avantages du carbone en tant que source d’énergie ne sont plus à démontrer. Malheureusement, la dépendance à ces matériaux carbonés s’est avérée désastreuse pour l’environnement, en particulier en raison des quantités consommées à l’échelle mondiale. Par conséquent, des moyens alternatifs doivent être recherchés. Les superstructures de carbone (SCC) sont une voie possible pour utiliser les carbones de manière plus efficace et « verte », dépassant les performances et la longévité actuelles des matériaux standard dans les dispositifs de stockage et de conversion d’énergie.

Des chercheurs ont publié les résultats de leurs travaux dans Energy Materials and Devices le 30 janvier.

Les SCC se caractérisent par leur complexité à la fois dans leur construction et leur performance, mais aussi dans leur conception globale. Tout d’abord, elles sont, en effet, des carbones. Bien que cela puisse ne pas sembler être une étape pour réduire la dépendance globale au carbone, il s’agit d’une manière d’utiliser les carbones de manière plus intentionnelle, avec des fonctions plus directes, ce qui peut entraîner de meilleures performances et une meilleure fonctionnalité.

« Cette catégorie unique répond aux demandes fonctionnelles spécifiques des dispositifs haute performance et dépasse la structure rigide des carbones traditionnels« , a indiqué Debin Kong, chercheur et auteur de l’étude.

Les SCC sont des matériaux carbonés qui sont construits de manière précise pour le matériau avec lequel ils sont en interface, qu’il s’agisse d’une batterie lithium-ion (Li), d’une batterie lithium-soufre (LiS) ou d’une batterie métal-air.

Les trois principales caractéristiques de ces SCC présentées par les chercheurs pour un développement et une mise en œuvre réussis sont les suivantes : des pores précisément personnalisés, des cadres librement ajustables et des interfaces fortement couplées.

Le fait d’avoir des pores précisément personnalisés présente l’avantage d’une utilisation accrue de la surface et d’un transfert de masse amélioré par rapport aux matériaux de carbone traditionnels. L’utilisation d’un matériau carboné poreux en tant que matériau actif dans les dispositifs de stockage d’énergie (tels que les batteries) peut améliorer les métriques telles que la capacité spécifique du matériau. La capacité spécifique est la quantité de charge électrique qui peut être fournie au matériau par gramme de poids du matériau. Les cadres librement ajustables sont essentiels pour permettre un transfert d’électrons rapide entre les parties internes des matériaux, y compris l’unité de carbone et l’électrode.

Enfin, les interfaces fortement couplées permettent une amélioration supplémentaire du transfert d’électrons, ce qui est un élément important pour améliorer la fonction et les performances globales d’une batterie. Les interfaces qui fonctionnent bien ensemble permettent aux réactions électrochimiques de se produire plus facilement et sans problèmes tels que l’agrégation, ou la formation de grappes de nanoparticules.

« Dans l’ensemble, le concept de SCC montre une voie pour résoudre les problèmes auxquels sont actuellement confrontés les carbones, ce qui est important pour les applications pratiques des carbones avancés et leurs dispositifs de haute performance connexes dans l’avenir« , a ajouté Debin Kong.

Les chercheurs ne cherchent pas seulement à améliorer les matériaux carbonés actifs avec cette revue, mais visent à créer de nouvelles références pour les structures de carbone. Les percées en matière de performances sont un objectif ultime, dans le but de briser les goulots d’étranglement dans les performances de la conversion et du stockage d’énergie. Toutefois, il y a encore des difficultés à prendre en compte et des plis à repasser avec des recherches supplémentaires.

La chose la plus importante à considérer est que différents dispositifs ont des besoins différents. Les batteries Li, LiS et métal-air sont susceptibles d’avoir une relation différente avec les SCC qui doit être entièrement étoffée pour garantir la compatibilité. En outre, le coût et les performances des SCC doivent être examinés avant de devenir une solution pratique et répandue. Cela peut inclure le raffinement du processus de préparation et des précurseurs nécessaires pour réduire les coûts et simplifier la production.

Un autre point qui nécessite des recherches supplémentaires est la compréhension globale de la microstructure du carbone et de son évolution structurelle en fonction du précurseur de carbone utilisé.

Cette recherche a été rendue possible grâce au Programme national de recherche fondamentale de la Chine, à la Fondation nationale des sciences de la nature de la Chine et au projet Taishan Scholar de la province de Shandong.

Article : « Superstructured carbon materials: design and energy applications » – DOI: 10.26599/EMD.2023.9370017