Stockage d’énergie : l’oxygène augmenterait la performance des batteries

Les chercheurs ont présenté un nouveau matériau d’électrode pour un dispositif de stockage d’énergie avancé qui est directement chargé avec l’oxygène de l’air. L’équipe du professeur Jeung Ku Kang a synthétisé et préservé les particules sub-nanométriques de tailles d’amas atomiques à forte charge massique dans des cadres métallo-organiques (MOF) en contrôlant le comportement des réactifs au niveau moléculaire.

Cette nouvelle stratégie garantit des performances élevées pour les batteries au lithium-oxygène, reconnues comme une technologie de stockage d’énergie de nouvelle génération et largement utilisées dans les véhicules électriques.

En principe, les batteries au lithium-oxygène peuvent générer des densités d’énergie dix fois supérieures à celles des batteries lithium-ion classiques, mais elles souffrent d’une très faible cyclabilité. L’une des méthodes permettant d’améliorer la stabilité du cycle consiste à réduire la surtension des électrocatalyseurs dans les électrodes cathodiques. Lorsque la taille d’un matériau électrocatalyseur est réduite au niveau atomique, l’augmentation de l’énergie de surface entraîne une augmentation de l’activité tout en accélérant considérablement l’agglomération du matériau.

Pour résoudre ce problème, le professeur Kang du département de science et d’ingénierie des matériaux a cherché à maintenir l’activité améliorée en stabilisant les électrocatalyseurs de taille atomique dans les espaces sub-nanométriques. Il s’agit d’une nouvelle stratégie pour produire et stabiliser simultanément des électrocatalyseurs à l’échelle atomique dans des cadres métallo-organiques (MOF).

Les cadres métallo-organiques assemblent en continu des ions métalliques et des liants organiques.

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L’équipe a contrôlé les affinités d’hydrogène entre les molécules d’eau pour les séparer et transférer les molécules d’eau isolées une par une à travers les pores sub-nanométriques des MOF. Les molécules d’eau transférées ont réagi avec les ions de cobalt pour former de l’hydroxyde de cobalt di-nucléaire dans des conditions synthétiques précisément contrôlées, puis l’hydroxyde de cobalt de niveau atomique est stabilisé à l’intérieur des pores sub-nanométriques.

L’hydroxyde de cobalt di-nucléaire qui est stabilisé dans les pores sub-nanométriques des cadres métallo-organiques (MOF) a réduit la surtension de 63,9% et a décuplé les améliorations du cycle de vie.

Le professeur Kang a déclaré : “La génération et la stabilisation simultanées d’électrocatalyseurs au niveau atomique dans les MOF peuvent diversifier les matériaux en fonction de nombreuses combinaisons de liaisons métalliques et organiques. Cela peut étendre non seulement le développement des électrocatalyseurs, mais aussi divers domaines de recherche tels que les photocatalyseurs, la médecine, l’environnement et la pétrochimie“.

Credit : Jeung Ku Kang, KAIST

Cette étude a été publiée dans Advanced Science (Title : Production autogène et stabilisation de particules sub-nanométriques fortement chargées dans des cadres organométalliques creux multicoques et leur utilisation pour des performances élevées dans les batteries Li-O2).

Cette recherche a été principalement soutenue par le Programme de R&D aux frontières mondiales du ministère des sciences, des TIC et de la planification (subvention n° 2013M3A6B1078884) financé par le ministère des sciences, des TIC et de la planification future, et la Fondation nationale de la recherche de Corée (subvention n° 2019M3E6A1104196).

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