Nouveau cadre métal-organique redox-actif comme matériau d'anode pour les piles au lithium fonctionnant dans des conditions de gel
Capacité de décharge cinq fois supérieure à celle des anodes en graphite, même dans des environnements à moins 20 degrés Celsius
L'Institut coréen de recherche sur l'énergie (KIER) a mis au point un matériau d'électrode hybride métal-organique redox-actif (SKIER-5) pour les piles au lithium qui reste stable dans des conditions de froid allant jusqu'à moins 20 degrés Celsius. En s'attaquant aux limites du graphite en tant que matériau d'anode des piles au lithium conventionnelles dans des conditions de gel, SKIER-5 a le potentiel d'être une alternative supérieure. Ce nouveau matériau peut être utilisé dans les piles au lithium pour diverses applications, notamment les véhicules électriques, les drones et les appareils électroniques de très petite taille, même à basse température.
SKIER-5 développé par la réaction d'oxydation du trianthrène et des ions nickel (de gauche à droite trianthrène, nickel, SKIER-5)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
Photo de groupe de l'équipe de recherche (de gauche à droite Dr. Kanghoon Yim, Dr. Jungjoon Yoo, Dr. Hyunuk Kim)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
Actuellement, le graphite est le matériau conventionnel utilisé pour les anodes des batteries lithium-ion en raison de sa stabilité thermodynamique et de son faible coût. Toutefois, les batteries dotées d'anodes en graphite présentent d'importants inconvénients : leur capacité de stockage diminue fortement à des températures inférieures à zéro et des dendrites peuvent se former à la surface de l'anode pendant la charge. Cela peut conduire à un emballement thermique et à des explosions potentielles.
Une équipe de recherche dirigée par les docteurs Jungjoon Yoo, Kanghoon Yim et Hyunuk Kim du KIER a mis au point une structure organique métallique conductrice redox-active appelée "SKIER-5". Ce cadre est assemblé à partir d'un ligand organique à base de trianthrène et d'ions de nickel. SKIER-5 a présenté une capacité de décharge cinq fois supérieure à celle du graphite dans des environnements inférieurs à zéro.
L'anode SKIER-5 a atteint une capacité de décharge de 440 mAh/g, dépassant les 375 mAh/g d'une électrode en graphite à température ambiante. Notamment, après 1 600 cycles de charge-décharge, la capacité a été multipliée par environ 1,5 (600 mAh/g). Il s'agit d'un résultat exceptionnel, car la capacité de décharge diminue généralement avec des cycles de charge-décharge répétés.
L'équipe de recherche a confirmé le mécanisme d'oxydoréduction de SKIER-5 en utilisant l'analyse des rayons X à haut flux au laboratoire de l'accélérateur de Pohang. Contrairement au graphite, SKIER-5, qui comprend des ions nickel et des ligands organiques à base d'hétéroatomes (N, F, S), interagit avec les ions Li pour déclencher des réactions d'oxydoréduction impliquant un transfert d'électrons. Ce processus permet d'augmenter le stockage des électrons, ce qui se traduit par une capacité de décharge plus élevée.
SKIER-5 a notamment atteint une capacité de décharge de 150 mAh/g, soit cinq fois plus que celle du graphite à moins 20 degrés Celsius. Cette performance accrue est attribuée au fait que le seuil d'énergie minimum de SKIER-5 pour le déclenchement des réactions chimiques est plus bas que celui du graphite. Par conséquent, SKIER-5 conserve des performances stables dans les environnements à basse température où le taux de réaction diminue généralement.
*Énergie d'activation (eV) : L'énergie minimale requise pour initier une réaction chimique, [SKIER-5 (0,23 eV) < Graphite (0,6 eV)].
Le principe de fonctionnement de SKIER-5 a été validé à l'aide de calculs de premier principe basés sur la chimie quantique. L'équipe de recherche a d'abord déterminé la structure cristalline de SKIER-5, qui était conforme à l'analyse structurale aux rayons X, et a prédit les sites d'adsorption du lithium afin de prévoir la capacité théorique du matériau et la tension de réaction par le calcul. Les valeurs prédites correspondaient étroitement aux résultats expérimentaux, confirmant l'origine des excellentes performances de SKIER-5 en tant qu'anode de batterie au lithium.
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.
Publication originale
Yogendra Kumar, Tae Hyeong Kim, Iyan Subiyanto, Winda Devina, Segi Byun, Subhajit Nandy, Keun Hwa Chae, Suim Lim, Bumjin Kim, Sanghui Kang, Seong Ok Han, Kanghoon Yim, Jungjoon Yoo, Hyunuk Kim; "Redox-active conductive metal–organic framework with high lithium capacities at low temperatures"; Journal of Materials Chemistry A, 2024
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