{"id":3014,"date":"2025-03-28T10:38:27","date_gmt":"2025-03-28T02:38:27","guid":{"rendered":"https:\/\/calcium-carbonate.epic-powder.com\/?p=3014"},"modified":"2025-03-28T10:38:30","modified_gmt":"2025-03-28T02:38:30","slug":"porous-carbon-why-it-is-called-a-new-opportunity-for-carbon-based-materials%ef%bc%9f","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/calcium-carbonate.epic-powder.com\/fr\/porous-carbon-why-it-is-called-a-new-opportunity-for-carbon-based-materials%ef%bc%9f\/","title":{"rendered":"Carbone poreux : pourquoi est-il consid\u00e9r\u00e9 comme une nouvelle opportunit\u00e9 pour les mat\u00e9riaux \u00e0 base de carbone ?"},"content":{"rendered":"

Les mat\u00e9riaux d'anode sont essentiels aux batteries lithium-ion et influencent directement leurs performances. Le graphite, l'anode \u00e0 base de carbone la plus utilis\u00e9e, pr\u00e9sente une faible capacit\u00e9 et une stabilit\u00e9 m\u00e9diocre. Sa s\u00e9curit\u00e9 et ses performances sont difficiles \u00e0 am\u00e9liorer.
La recherche de nouveaux mat\u00e9riaux \u00e0 base de carbone pour remplacer les anodes commerciales est un axe de recherche.
Parmi les mat\u00e9riaux \u00e0 base de carbone, carbone poreux<\/a> Il pr\u00e9sente une surface sp\u00e9cifique \u00e9lev\u00e9e et une morphologie contr\u00f4lable. Sa structure poreuse riche et sa bonne conductivit\u00e9 am\u00e9liorent la stabilit\u00e9 et r\u00e9duisent les co\u00fbts de synth\u00e8se. Le carbone poreux est largement utilis\u00e9 dans le stockage d'\u00e9nergie et la catalyse. Son potentiel pour les batteries au lithium est consid\u00e9rable\u00a0; explorons-le plus en d\u00e9tail.<\/p>\n\n\n\n

Avantages des mat\u00e9riaux en carbone poreux pour les batteries au lithium<\/h2>\n\n\n\n

Les batteries lithium-ion utilisent les ions lithium comme moyen de transmission d'\u00e9nergie, et les \u00e9lectrodes sont des m\u00e9canismes de stockage \u00e9lectrochimique du lithium int\u00e9gr\u00e9s. Lors de la charge, des ions lithium sont g\u00e9n\u00e9r\u00e9s sur l'\u00e9lectrode positive de la batterie. Ces ions lithium sont d\u00e9sintercal\u00e9s de l'\u00e9lectrode positive et migrent vers l'\u00e9lectrode n\u00e9gative via l'\u00e9lectrolyte. Le mat\u00e9riau carbon\u00e9 constituant l'\u00e9lectrode n\u00e9gative pr\u00e9sente une structure stratifi\u00e9e et de nombreux micropores. Les ions lithium qui atteignent l'\u00e9lectrode n\u00e9gative sont int\u00e9gr\u00e9s dans les micropores du mat\u00e9riau carbon\u00e9. <\/p>\n\n\n\n

Plus il y a d'ions lithium int\u00e9gr\u00e9s, plus la capacit\u00e9 de charge est \u00e9lev\u00e9e. \u00c0 ce stade, l'\u00e9lectrode n\u00e9gative est riche en lithium et l'\u00e9lectrode positive est pauvre en lithium. Parall\u00e8lement, la charge de compensation des \u00e9lectrons est fournie \u00e0 l'\u00e9lectrode n\u00e9gative en carbone par le circuit externe, assurant ainsi l'\u00e9quilibre de charge de l'\u00e9lectrode n\u00e9gative. Lors de la d\u00e9charge, les ions lithium quittent l'anode et r\u00e9int\u00e8grent la cathode via l'\u00e9lectrolyte.<\/p>\n\n\n\n

\"Sch\u00e9ma<\/figure>\n\n\n\n

En tant qu'anode de batterie lithium-ion, la grande surface sp\u00e9cifique du carbone poreux permet de lier davantage d'ions lithium pour une capacit\u00e9 accrue. Sa structure poreuse complexe offre des chemins de diffusion efficaces et r\u00e9duit la distance de diffusion des ions lithium. Les d\u00e9fauts tels que les lacunes et le dopage par h\u00e9t\u00e9roatomes servent de sites de stockage du lithium. Lors de l'insertion\/extraction du lithium, les contraintes m\u00e9caniques dues aux variations de volume sont minimales, ce qui garantit une bonne stabilit\u00e9 du cycle. Ainsi, le carbone poreux pr\u00e9sente souvent de meilleures performances \u00e9lectrochimiques que le graphite traditionnel.<\/p>\n\n\n\n

\"M\u00e9canisme<\/figure>\n\n\n\n

Quelle est la taille optimale des pores pour le carbone poreux ?<\/h2>\n\n\n\n

Le carbone poreux peut \u00eatre divis\u00e9 en trois types en fonction de la taille des pores : carbone microporeux (taille des pores inf\u00e9rieure \u00e0 2 nm), carbone m\u00e9soporeux (taille des pores comprise entre 2 et 50 nm) et carbone macroporeux (taille des pores sup\u00e9rieure \u00e0 50 nm).<\/p>\n\n\n\n

Carbone microporeux<\/h3>\n\n\n\n

Le carbone microporeux pr\u00e9sente une surface sp\u00e9cifique \u00e9lev\u00e9e et une capacit\u00e9 sp\u00e9cifique \u00e9lev\u00e9e comme mat\u00e9riau d'\u00e9lectrode. Les chercheurs ont pr\u00e9par\u00e9 du carbone microporeux \u00e0 grande surface sp\u00e9cifique gr\u00e2ce \u00e0 une m\u00e9thode de mod\u00e9lisation.
En tant qu'anode de batterie lithium-ion, elle a montr\u00e9 une grande capacit\u00e9 irr\u00e9versible (2\u00a0547 mA\u00b7h\/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'oxyg\u00e8ne et de l'hydrog\u00e8ne. Ces groupes fonctionnels subissent des r\u00e9actions irr\u00e9versibles avec les ions lithium, ce qui entra\u00eene une capacit\u00e9 irr\u00e9versible \u00e9lev\u00e9e. Une importante d\u00e9croissance de capacit\u00e9 est observ\u00e9e lors des premiers cycles. Par cons\u00e9quent, le carbone microporeux monostructure n'est pas un mat\u00e9riau d'anode id\u00e9al pour les batteries lithium-ion.<\/p>\n\n\n\n

Carbone m\u00e9soporeux<\/h3>\n\n\n\n

Le carbone m\u00e9soporeux peut \u00e9galement \u00eatre utilis\u00e9 comme mat\u00e9riau d\u2019anode pour batterie lithium-ion.
En utilisant la silice ordonn\u00e9e comme matrice, il est possible de synth\u00e9tiser du carbone m\u00e9soporeux ordonn\u00e9 (CMK-3). Il pr\u00e9sente une capacit\u00e9 r\u00e9versible \u00e9lev\u00e9e et d'excellentes performances en cyclage charge-d\u00e9charge. Apr\u00e8s le premier cycle, la capacit\u00e9 de charge-d\u00e9charge reste stable. En effet, la structure poreuse ordonn\u00e9e minimise la r\u00e9sistance au transport ionique, ce qui assure une stabilit\u00e9 exceptionnelle en cyclage.<\/p>\n\n\n\n

Carbone macroporeux<\/h3>\n\n\n\n

Le carbone macroporeux ordonn\u00e9 pr\u00e9par\u00e9 par la m\u00e9thode du mod\u00e8le peut \u00e9galement \u00eatre utilis\u00e9 comme mat\u00e9riau d'anode de batterie lithium-ion.
En utilisant des opales de silice inverses comme mod\u00e8le, du carbone macroporeux ordonn\u00e9 avec une structure de pores interconnect\u00e9s en 3D et des parois de pores graphitis\u00e9es peut \u00eatre synth\u00e9tis\u00e9 via la m\u00e9thode de d\u00e9p\u00f4t chimique en phase vapeur (CVD) utilisant du benz\u00e8ne.
En tant qu'anode de batterie lithium-ion, elle maintient une capacit\u00e9 de 320 mA\u00b7h\/g apr\u00e8s 60 cycles \u00e0 200 mA\/g, avec un taux de r\u00e9tention de capacit\u00e9 de 98%.
En utilisant le polym\u00e9thacrylate de m\u00e9thyle (PMMA) comme mod\u00e8le, un mat\u00e9riau macroporeux ordonn\u00e9 en 3D peut \u00eatre synth\u00e9tis\u00e9 via la m\u00e9thode sol-gel r\u00e9sorcinol-formald\u00e9hyde.
En tant que mat\u00e9riau d'anode, il atteint une capacit\u00e9 de 260 mA\u00b7h\/g \u00e0 1000 mA\/g, avec une r\u00e9tention de capacit\u00e9 83% apr\u00e8s 30 cycles.<\/p>\n\n\n\n

Poreux gradu\u00e9<\/h3>\n\n\n\n

Cependant, les mat\u00e9riaux en carbone poreux \u00e0 structure \u00e0 pores uniques pr\u00e9sentent in\u00e9vitablement certains inconv\u00e9nients.
Pour am\u00e9liorer leurs performances, le carbone poreux hi\u00e9rarchique, qui int\u00e8gre des pores interconnect\u00e9s de diff\u00e9rentes tailles dans une structure gradu\u00e9e, est devenu un axe de recherche. Ses avantages combin\u00e9s sont les suivants\u00a0:<\/p>\n\n\n\n