La densité est importante pour améliorer les performances des matériaux des batteries
La clé d'une meilleure performance électrochimique a été trouvée ?
Le zinc - bon marché, abondant et respectueux de l'environnement - pourrait être la solution pour améliorer les batteries, mais il y a un problème majeur : les batteries zinc-ion aqueuses (AZIB) ne peuvent pas rivaliser avec les batteries lithium-ion en termes de puissance. Pour tester la composition du matériau d'électrode qui pourrait permettre aux batteries AZIB d'être à la hauteur, une équipe de recherche basée en Chine a mis au point deux structures organiques ayant les mêmes composants, mais disposés différemment.
Lors de l'essai, la structure présentant une densité appropriée de sites actifs - où les ions zinc gagnent des électrons pour recharger la batterie - s'est avérée plus performante.
Les chercheurs ont publié leurs résultats le 8 octobre dans la revue Energy Materials and Devices.
"Depuis plus d'une décennie, les AZIB ont fait l'objet d'une attention considérable en tant que technologie de batterie très prometteuse", a déclaré le coauteur Meilin Li, de la faculté de science des matériaux et d'ingénierie énergétique et de l'Institut de technologie pour la neutralité du carbone, de l'Institut de technologie avancée de Shenzhen (SIAT), de l'Académie des sciences de Chine. "Divers matériaux d'électrode ont été explorés, les options inorganiques ayant fait l'objet d'études approfondies. Toutefois, ces matériaux se heurtent souvent à des difficultés, notamment la dégradation de la structure cristalline et une capacité spécifique limitée."
Les matériaux organiques constituant la cathode - où les groupes fonctionnels subissent alternativement des processus d'oxydation et de réduction au cours des réactions de charge et de décharge, correspondant à l'absorption et à la libération d'ions zinc - sont des molécules disposées sous une forme cristalline. Ces molécules contiennent des sites actifs où les ions réagissent et gagnent des électrons. Toutefois, les molécules inorganiques ne peuvent accueillir qu'un nombre limité de réactions et ne peuvent les maintenir que pendant une période déterminée avant de se décomposer.
"Contrairement aux matériaux inorganiques, les matériaux organiques présentent des propriétés d'oxydoréduction supérieures, une capacité spécifique élevée et une grande souplesse structurelle", a déclaré M. Li. "Dans cet article, nous avons conçu deux matériaux à structure organique covalente (COF) avec la même structure et le même nombre de groupes énergétiques afin d'étudier la corrélation entre les densités des sites actifs et les performances électrochimiques.
Le premier COF utilisait la molécule organique benzoquinoxaline benzoquinone (BB-COF), tandis que le second utilisait la triquinoxalinylène benzoquinone (TB-COF). Les deux structures sont en forme d'anneau, avec le même nombre de groupes énergétiques dans chacune d'elles. Les groupes énergétiques abritent les sites actifs, c'est-à-dire des atomes de carbone liés à l'oxygène ou à l'azote. Le BB-COF était également plus grand, les groupes énergétiques étant plus éloignés les uns des autres. TB-COF était une molécule globalement plus dense, mais les groupes énergétiques de BB-COF étaient plus clairsemés de sites actifs.
C'est ce qui semble être la clé d'une meilleure performance électrochimique, selon M. Li.
"Bien que le TB-COF se targue d'une capacité spécifique initiale louable due à la densité de ses groupes fonctionnels, sa susceptibilité à la détérioration de la capacité en raison d'interactions puissantes le désavantage lorsqu'il s'agit de jouer le rôle de matériau de cathode pour les AZIB", a déclaré M. Li. "Le BB-COF, en revanche, s'est révélé stable même à -40 degrés Celsius pendant 2 000 cycles, ce qui signifie qu'il peut rester stable même si une batterie se charge et se décharge 2 000 fois.
Les chercheurs ont analysé la composition chimique et la morphologie des COF, déterminant que le plus grand diamètre du BB-COF permettait un transport rapide des ions et une utilisation plus efficace des sites actifs. À température ambiante, après 10 000 cycles, le BB-COF a conservé une capacité spécifique - la mesure de la charge par poids - de 72 milliampères-heure par gramme de masse. La capacité spécifique du TB-COF est tombée à 40 milliampères-heure par gramme de masse.
"On pense que la régulation et le contrôle des dimensions des pores pour obtenir des densités optimales de sites actifs permettent non seulement d'améliorer le taux de transport des ions zinc dans les voies COF, mais aussi de maintenir la stabilité des structures COF", a déclaré M. Li. "C'est pourquoi cette approche constitue une orientation pour les efforts futurs.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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