Les matériaux d'anode sont essentiels aux batteries lithium-ion et influencent directement leurs performances. Le graphite, l'anode à base de carbone la plus utilisée, présente une faible capacité et une stabilité médiocre. Sa sécurité et ses performances sont difficiles à améliorer.
La recherche de nouveaux matériaux à base de carbone pour remplacer les anodes commerciales est un axe de recherche.
Parmi les matériaux à base de carbone, carbone poreux Il présente une surface spécifique élevée et une morphologie contrôlable. Sa structure poreuse riche et sa bonne conductivité améliorent la stabilité et réduisent les coûts de synthèse. Le carbone poreux est largement utilisé dans le stockage d'énergie et la catalyse. Son potentiel pour les batteries au lithium est considérable ; explorons-le plus en détail.
Avantages des matériaux en carbone poreux pour les batteries au lithium
Les batteries lithium-ion utilisent les ions lithium comme moyen de transmission d'énergie, et les électrodes sont des mécanismes de stockage électrochimique du lithium intégrés. Lors de la charge, des ions lithium sont générés sur l'électrode positive de la batterie. Ces ions lithium sont désintercalés de l'électrode positive et migrent vers l'électrode négative via l'électrolyte. Le matériau carboné constituant l'électrode négative présente une structure stratifiée et de nombreux micropores. Les ions lithium qui atteignent l'électrode négative sont intégrés dans les micropores du matériau carboné.
Plus il y a d'ions lithium intégrés, plus la capacité de charge est élevée. À ce stade, l'électrode négative est riche en lithium et l'électrode positive est pauvre en lithium. Parallèlement, la charge de compensation des électrons est fournie à l'électrode négative en carbone par le circuit externe, assurant ainsi l'équilibre de charge de l'électrode négative. Lors de la décharge, les ions lithium quittent l'anode et réintègrent la cathode via l'électrolyte.
En tant qu'anode de batterie lithium-ion, la grande surface spécifique du carbone poreux permet de lier davantage d'ions lithium pour une capacité accrue. Sa structure poreuse complexe offre des chemins de diffusion efficaces et réduit la distance de diffusion des ions lithium. Les défauts tels que les lacunes et le dopage par hétéroatomes servent de sites de stockage du lithium. Lors de l'insertion/extraction du lithium, les contraintes mécaniques dues aux variations de volume sont minimales, ce qui garantit une bonne stabilité du cycle. Ainsi, le carbone poreux présente souvent de meilleures performances électrochimiques que le graphite traditionnel.
Quelle est la taille optimale des pores pour le carbone poreux ?
Le carbone poreux peut être divisé en trois types en fonction de la taille des pores : carbone microporeux (taille des pores inférieure à 2 nm), carbone mésoporeux (taille des pores comprise entre 2 et 50 nm) et carbone macroporeux (taille des pores supérieure à 50 nm).
Carbone microporeux
Le carbone microporeux présente une surface spécifique élevée et une capacité spécifique élevée comme matériau d'électrode. Les chercheurs ont préparé du carbone microporeux à grande surface spécifique grâce à une méthode de modélisation.
En tant qu'anode de batterie lithium-ion, elle a montré une grande capacité irréversible (2 547 mA·h/g). Cela s'explique par le fait que sa grande surface augmente la zone de formation de SEI.
De plus, il offre davantage de sites de liaison pour les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène et de l'hydrogène. Ces groupes fonctionnels subissent des réactions irréversibles avec les ions lithium, ce qui entraîne une capacité irréversible élevée. Une importante décroissance de capacité est observée lors des premiers cycles. Par conséquent, le carbone microporeux monostructure n'est pas un matériau d'anode idéal pour les batteries lithium-ion.
Carbone mésoporeux
Le carbone mésoporeux peut également être utilisé comme matériau d’anode pour batterie lithium-ion.
En utilisant la silice ordonnée comme matrice, il est possible de synthétiser du carbone mésoporeux ordonné (CMK-3). Il présente une capacité réversible élevée et d'excellentes performances en cyclage charge-décharge. Après le premier cycle, la capacité de charge-décharge reste stable. En effet, la structure poreuse ordonnée minimise la résistance au transport ionique, ce qui assure une stabilité exceptionnelle en cyclage.
Carbone macroporeux
Le carbone macroporeux ordonné préparé par la méthode du modèle peut également être utilisé comme matériau d'anode de batterie lithium-ion.
En utilisant des opales de silice inverses comme modèle, du carbone macroporeux ordonné avec une structure de pores interconnectés en 3D et des parois de pores graphitisées peut être synthétisé via la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) utilisant du benzène.
En tant qu'anode de batterie lithium-ion, elle maintient une capacité de 320 mA·h/g après 60 cycles à 200 mA/g, avec un taux de rétention de capacité de 98%.
En utilisant le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) comme modèle, un matériau macroporeux ordonné en 3D peut être synthétisé via la méthode sol-gel résorcinol-formaldéhyde.
En tant que matériau d'anode, il atteint une capacité de 260 mA·h/g à 1000 mA/g, avec une rétention de capacité 83% après 30 cycles.
Poreux gradué
Cependant, les matériaux en carbone poreux à structure à pores uniques présentent inévitablement certains inconvénients.
Pour améliorer leurs performances, le carbone poreux hiérarchique, qui intègre des pores interconnectés de différentes tailles dans une structure graduée, est devenu un axe de recherche. Ses avantages combinés sont les suivants :
- Les micropores offrent une surface spécifique élevée, améliorant la capacité de stockage de charge et augmentant la capacité de la batterie lithium-ion.
- Les mésopores créent des canaux de transport rapides pour les ions électrolytes, améliorant ainsi l'infiltration des électrolytes.
- Les macropores raccourcissent les distances de diffusion des ions, facilitant le transport des ions et garantissant une rétention de capacité élevée dans des conditions de courant élevé.
Par exemple:
En chauffant simplement du carbonate de lithium et de l'hydrure de lithium, du carbone poreux hiérarchique de type éponge (Sponge-like HPC) avec une surface spécifique ultra-élevée (1049 m²/g) a été synthétisé de manière écologique et efficace, comme le montre la figure.
Lorsqu'il est utilisé comme matériau d'anode pour les batteries lithium-ion, le HPC de type éponge présente :
Capacité réversible ultra élevée (1750 mA·h/g à 0,2 A/g), Stabilité de cyclage exceptionnelle (rétention de capacité ≈100% après 2000 cycles), Performances de débit exceptionnelles.
Le carbone poreux hiérarchique peut également être modifié par dopage hétéroatomique, où certains atomes de carbone de la structure poreuse sont remplacés par d'autres. En exploitant la différence d'électronégativité entre le carbone et les atomes étrangers, cette modification ajuste la distribution des charges et la formation de défauts au sein du carbone poreux, améliorant ainsi ses propriétés physicochimiques.
Le carbone poreux a des applications potentielles
Dans le cadre de leurs recherches, les scientifiques ont développé une membrane de carbone poreuse en ajoutant du Fe3C pour former des pores en nid d'abeille et en forme de doigts. Cette membrane de carbone poreuse présente une surface spécifique élevée. Elle peut servir directement de matériau actif et de collecteur de courant. Ses larges pores offrent un espace interne suffisant pour supporter les variations de volume pendant la charge/décharge. La membrane de carbone poreuse asymétrique assure un transport d'électrons à grande vitesse et favorise la diffusion de l'électrolyte et des ions lithium.
Bien que le carbone poreux ne puisse pas égaler des matériaux comme les nanotubes de carbone ou le graphène en termes de flexibilité et de propriétés mécaniques, il constitue un choix idéal pour une charge de masse d'électrode élevée.
Des recherches futures pourraient explorer la combinaison de carbone poreux avec du graphène ou des nanotubes de carbone. Cela pourrait produire des collecteurs de courant de batteries lithium-ion flexibles de qualité supérieure pour les appareils portables.
Conclusion
Les scientifiques estiment que le carbone poreux présente un fort potentiel d'utilisation généralisée dans les électrodes autoportantes et les collecteurs de courant. En effet, le développement des batteries lithium-ion de nouvelle génération privilégiera une capacité accrue, une durée de vie prolongée, un meilleur respect de l'environnement et un coût réduit. Cela nécessitera des collecteurs de courant offrant des performances électrochimiques plus stables, une meilleure conductivité, un poids plus léger et un coût réduit. De plus, les futurs appareils portables nécessiteront des collecteurs de courant à structure flexible. Par conséquent, par rapport aux collecteurs de courant métalliques, les collecteurs de courant en nanocarbone offrent des perspectives beaucoup plus larges.
Poudre EPIC
Poudre épique, Plus de 20 ans d'expérience dans l'industrie des poudres ultrafines. Nous promouvons activement le développement futur des poudres ultrafines, en nous concentrant sur les procédés de concassage, de broyage, de classification et de modification. Contactez-nous pour une consultation gratuite et des solutions personnalisées ! Notre équipe d'experts s'engage à vous fournir des produits et services de haute qualité pour optimiser la valeur de vos procédés de traitement des poudres. Epic Powder : votre expert de confiance en traitement des poudres !
