Former des électrodes de carbone solide pour les batteries de nouvelle génération

Les batteries lithium-ion (LIB) sont le sort de batterie rechargeable le plus largement utilisé, couvrant de nombreuses packages. Il s’agit notamment de l’électronique grand public, des véhicules électriques, des systèmes d’énergie renouvelable et des engins spatiaux.

Bien que les batteries LIB offrent de meilleures performances à bien des égards par rapport aux autres batteries rechargeables, elles présentent leur lot d’inconvénients. Le lithium est une ressource assez uncommon et son prix augmentera rapidement à mesure que sa disponibilité diminuera à l’avenir. De plus, l’extraction du lithium et les LIB mal éliminés posent d’énormes défis environnementaux automotive les électrolytes liquides couramment utilisés sont toxiques et inflammables.

Les lacunes des LIB ont motivé les chercheurs du monde entier à rechercher des applied sciences possible choices de stockage d’énergie. Les batteries sodium (Na)-ion (NIB) et les batteries potassium-ion (KIB) sont deux choices émergentes qui sont rentables et durables. Les NIB et les KIB devraient devenir des industries milliardaires d’ici l. a. fin de l. a. décennie.

Les gouvernements du monde entier, notamment ceux des États-Unis, de l’Autriche, de Hong Kong, de l’Allemagne et de l’Australie, s’efforcent d’encourager l. a. recherche et l. a. créativité dans ce domaine. De plus, des sociétés comme Faradion Restricted, TIAMAT SAS, HiNa Battery Generation Co. Ltd, investit massivement dans cette technologie. Fresh Amperex Generation Co., Ltd. devrait Limité et construisez vos rêves pour déposer bientôt les batteries EV auprès des NIB.

Cependant, malheureusement, l. a. capacité des matériaux d’électrode utilisés dans les NIB et les KIB est toujours en retard par rapport à celle des LIB. Dans ce contexte, une équipe de recherche dirigée par le professeur Shinichi Komaba de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon, développe des matériaux d’électrodes innovants à haute capacité pour les NIB et les KIB.

Dans leur récente étude publiée dans Matériaux énergétiques avancés, ils rapportent une nouvelle stratégie de synthèse pour les électrodes nanostructurées en « carbone dur » (HC) qui offrent des performances sans précédent. L’étude a été co-écrite par M. Daisuke Igarashi, Mme Yuko Tanaka, le professeur agrégé junior Ryuichi Tatara de TUS et le Dr Kei Kubota de l’Institut nationwide des sciences des matériaux (NIMS), Japon.

Mais qu’est-ce que HC et pourquoi est-il utile pour les NIB et les KIB ? Contrairement à d’autres formes de carbone, comme le graphène ou le diamant, HC est amorphe ; Il lui manque une construction cristalline bien définie. De plus, il est solide et résistant.

Dans une étude précédente de 2021, le professeur Kumaba et ses collègues ont trouvé un moyen d’utiliser l’oxyde de magnésium (MgO) comme modèle lors de l. a. fabrication d’électrodes HC pour les NIB, modifiant ainsi leur nanostructure finale. Ce processus a conduit à l. a. formation de nanopores à l’intérieur des électrodes lorsque l’oxyde de magnésium a été éliminé, ce qui a considérablement augmenté leur capacité à stocker le sodium.⁺ ions.

Motivés par les découvertes précédentes, les chercheurs ont exploré si les composites à base de zinc (Zn) et de calcium (Ca) pourraient également être utiles comme nanomodèles pour les électrodes HC. Pour cela, ils ont systématiquement examiné différents échantillons d’hydrocarbures fabriqués à partir d’oxyde de zinc (ZnO) et de carbonate de calcium (CaCO).₃) et comparé leurs performances avec celles fabriquées à partir d’oxyde de magnésium (MgO).

Les premières expériences ont montré que l’oxyde de zinc était particulièrement prometteur pour l’électrode négative des NIB. En conséquence, les chercheurs ont optimisé l. a. focus de ZnO intégré dans l. a. matrice HC pendant le processus de fabrication, démontrant une capacité réversible de 464 mAh.^-1 (correspondant à NaC_4.8) avec un rendement coulombien preliminary élevé de 91,7 % et un faible potentiel moyen de 0,18 V par rapport à Na⁺/N / A.

L’équipe a obtenu des résultats remarquables en intégrant ce puissant matériau d’électrode dans une véritable batterie.

«Le NIB a été fabriqué à partir de HC optimisé recouvert d’oxyde de zinc, où l’électrode négative présentait une densité d’énergie de 312 watts-heures kg.^-1dit le professeur Komaba. «Cette valeur est équivalente à l. a. densité de puissance de certains varieties de LIB actuellement commercialisés avec LiFePO₄ et du graphite qui représente plus de 1,6 fois l. a. densité énergétique des premiers NIB (192 W/kg).^-1), ce que notre laboratoire a rapporté en 2011.”

Notamment, le HC recouvert de ZnO a également montré une grande capacité de 381 mAh.^-1 Une fois intégré à KIB Financial institution, démontrant davantage son potentiel.

Pris ensemble, les résultats de cette étude démontrent que l’utilisation de nanoparticules inorganiques comme modèle pour contrôler l. a. construction des pores peut constituer une ligne directrice efficace pour le développement d’électrodes HC. “Nos résultats démontrent que les HC sont des candidats prometteurs pour les électrodes négatives comme choice au graphite”, conclut le professeur Komaba.

Cela pourrait à son excursion rendre les projets d’investissement nationaux viables pour des packages pratiques, telles que le développement d’appareils électroniques grand public et de véhicules électriques durables, ainsi que de systèmes de stockage d’énergie à faible empreinte carbone pour stocker l’énergie provenant de parcs solaires et éoliens.