Découverte d’une méthode pour un graphène nanocellulaire parfait

Le graphène, matériau aux propriétés exceptionnelles, ne cesse de susciter l’intérêt de la communauté scientifique depuis sa découverte en 2004. Ses applications potentielles dans de nombreux domaines, allant de l’électronique à la médecine, en font un sujet de recherche particulièrement stimulant.

Récemment, une équipe de chercheurs a mis au point une nouvelle méthode pour fabriquer du graphène nanocellulaire sans fissures, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles perspectives d’utilisation.

Le graphène, un matériau aux propriétés remarquables

Le graphène est constitué de feuilles bidimensionnelles d’atomes de carbone, liés entre eux pour former une structure hexagonale d’une épaisseur d’une seule couche d’atomes. Malgré sa finesse, le graphène est incroyablement résistant, léger, flexible et transparent. Il présente également une conductivité électrique et thermique extraordinaire, une grande surface spécifique et une imperméabilité aux gaz. Ces propriétés lui confèrent une polyvalence inégalée dans de nombreuses applications, des transistors à haute vitesse aux biocapteurs.

Le graphène nanocellulaire (GNC) est une forme spécialisée de graphène qui permet d’obtenir une grande surface spécifique en empilant plusieurs couches de graphène et en contrôlant sa structure interne avec une morphologie cellulaire à l’échelle nanométrique. Le GNC est convoité pour son potentiel à améliorer les performances des dispositifs électroniques, des dispositifs énergétiques et des capteurs. Cependant, son développement a été freiné par les défauts qui surviennent lors du processus de fabrication, notamment l’apparition de fissures lors de la formation du GNC.

Méthode pour fabriquer du graphène nanocellulaire sans fissures

Won-Young Park, étudiant diplômé de l’Université de Tohoku, et ses collègues ont découvert que les atomes de carbone s’auto-assemblent rapidement en GNC sans fissures lors du désalliage d’un précurseur amorphe Mn-C dans un bain de bismuth fondu. Le désalliage est une technique de traitement qui exploite la miscibilité variable des composants d’un alliage dans un bain de métal fondu, corrodant sélectivement certains composants de l’alliage tout en préservant les autres.

Les chercheurs ont démontré que les GNC développés par cette méthode présentaient une résistance à la traction élevée et une conductivité élevée après graphitisation. Ils ont également testé le matériau dans une batterie sodium-ion (BSI), où il a démontré un taux élevé, une longue durée de vie et une excellente résistance à la déformation.

Des perspectives prometteuses pour les batteries sodium-ion

Selon Won-Young Park, « notre méthode de fabrication de GNC sans fissures permettra d’améliorer les performances et la flexibilité des BSI, une technologie alternative aux batteries lithium-ion pour certaines applications, notamment dans le stockage d’énergie à grande échelle et les systèmes d’alimentation stationnaires où les considérations de coût, de sécurité et de durabilité sont primordiales. »

Cette recherche a été rendue possible grâce à la collaboration de chercheurs de l’Institut de recherche sur les matériaux de l’Université de Tohoku, de l’Institut de recherche sur les frontières interdisciplinaires des sciences de l’Université de Tohoku, de l’Institut de recherche sur la fracture et la fiabilité, de l’Université des sciences et technologies de Pohang et de l’Université Johns Hopkins.

Article : « Mechanically Robust Self-Organized Crack-Free Nanocellular Graphene with Outstanding Electrochemical Properties in Sodium Ion Battery » | Auteurs : Wong-Young Park, Jiuhui Han, Jongun Moon, Soo-Hyun Joo, Takeshi Wada, Yuji Ichikawa, Kazuhiro Ogawa, Hyoung Seop Kim, Mingwei Chen, Hidemi Kato | Journal: Advanced Materials | DOI: 10.1002/adma.202311792