La recherche sur les carbones de superstructure (SCC) introduit une nouvelle méthode d’utilisation plus efficace du carbone dans le stockage et la conversion d’énergie, offrant des avantages environnementaux potentiels et des améliorations de performances par rapport aux matériaux traditionnels. En mettant l’accent sur la personnalisation et l’efficacité, les SCC pourraient révolutionner les solutions énergétiques basées sur le carbone, en attendant des études plus approfondies sur leur application pratique et leur viabilité économique.
De nombreuses recherches visent à abandonner le carbone en tant que source d’énergie, mais que se passerait-il si le carbone utilisé était utilisé à sa pleine capacité ?
L’importance du carbone en tant que source d’énergie ne doit pas être minimisée. Malheureusement, la dépendance à l’égard de ces matériaux à base de carbone s’est avérée désastreuse pour l’environnement, notamment en raison des quantités consommées à l’échelle mondiale. Des moyens alternatifs doivent donc être recherchés. Les carbones de superstructure (SCC) sont un moyen possible d’utiliser les carbones d’une manière plus efficace et « verte », qui peut dépasser les performances et la longévité actuelles des matériaux standards dans les dispositifs de stockage et de conversion d’énergie.
Résultats de la recherche et potentiel des CSC
Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans Matériaux et dispositifs énergétiques.
Les SCC présentent de multiples facettes, tant dans leur construction que dans leurs performances, mais également dans leur concept dans son ensemble. Cela commence par le fait qu’il s’agit bien de carbones. Bien que cela ne semble pas être une mesure visant à réduire la dépendance globale au carbone, il s’agit d’un moyen de rendre les carbones utilisés plus intentionnellement avec des fonctions plus directes pouvant conduire à de meilleures performances et fonctionnalités.
« Cette catégorie unique répond aux exigences fonctionnelles particulières des appareils hautes performances et surpasse la structure rigide des carbones traditionnels », a déclaré Debin Kong, chercheur et auteur de l’étude.
Chaque caractéristique affichée dans le cadre de la garantie du fonctionnement du SCC peut être utilisée pour améliorer les matériaux carbonés traditionnels utilisés dans les dispositifs de stockage et de conversion d’énergie. Crédit : Debin Kong, Université Tsinghua
Les SSC sont des matériaux à base de carbone construits précisément pour le matériau avec lequel ils interagissent, qu’il s’agisse d’une batterie lithium-ion (Li), d’une batterie au sulfure de lithium (LiS) ou d’une batterie métal-air.
Les chercheurs présentent trois caractéristiques principales de ces SCC pour un développement et une mise en œuvre réussis : des pores personnalisés avec précision, des cadres librement ajustés et des interfaces hautement couplées.
Avantages techniques et orientations futures
Le fait d’avoir des pores personnalisés avec précision présente l’avantage d’améliorer l’utilisation de la surface et le transfert de masse par rapport aux matériaux carbonés traditionnels. L’utilisation d’un carbone poreux comme matériau actif dans les dispositifs de stockage d’énergie (comme les batteries) peut améliorer des paramètres tels que la capacité spécifique du matériau. La capacité spécifique est la quantité de charge électrique qui peut être délivrée au matériau par gramme de poids du matériau. Des cadres librement ajustés sont essentiels pour permettre un transfert rapide d’électrons entre le fonctionnement interne des matériaux, y compris l’unité de carbone et l’électrode. Enfin, les interfaces hautement couplées permettent une amélioration supplémentaire du transfert d’électrons, ce qui constitue un élément important dans l’amélioration du fonctionnement et des performances globales d’une batterie. Les interfaces qui fonctionnent bien ensemble permettent aux réactions électrochimiques de se produire plus facilement et sans problèmes tels que l’agrégation ou la formation d’amas de nanoparticules.
« Dans l’ensemble, le concept des SSC montre un moyen de résoudre les problèmes rencontrés par les carbones actuels, ce qui est important pour les applications pratiques des carbones avancés et de leurs dispositifs énergétiques de haute performance pertinents à l’avenir », a déclaré Kong.
Les chercheurs ne visent pas seulement à améliorer les matériaux actifs à base de carbone avec cette étude, mais cherchent à créer de nouveaux sommets pour les structures en carbone. Les avancées en matière de performances constituent un objectif ultime, visant à éliminer les goulots d’étranglement dans les performances de la conversion et du stockage de l’énergie. Cependant, il y a toujours des difficultés à considérer et des rides à aplanir grâce à des recherches plus approfondies.
La chose la plus importante à considérer est que différents appareils ont des besoins différents. Les batteries Li, LiS et métal-air auront probablement toutes une relation différente avec les SCC qui doit être pleinement étoffée pour garantir leur adéquation et leur compatibilité. De plus, le coût et les performances des SCC doivent être examinés avant qu’ils ne deviennent une solution pratique et généralisée. Cela peut inclure le raffinement du processus de préparation et des précurseurs nécessaires pour réduire les coûts et simplifier la production. Un autre point qui nécessite des recherches plus approfondies est la compréhension globale de la microstructure du carbone et son évolution structurelle en fonction du précurseur de carbone utilisé.
Debin Kong, Wei Lv, Yanbing He et Feiyu Kang du Centre de graphène Giem de Shenzhen et du Laboratoire d’ingénierie pour les matériaux carbonés fonctionnalisés de l’Université de Tsinghua avec Debin Kong également du Collège des nouvelles énergies de l’Université chinoise du pétrole, Ruliang Liu, Dingcai Wu, et Ruowen Fu de l’Institut des sciences des matériaux de l’Université Sun Yat-sen, Feng Li du Laboratoire national de science des matériaux de Shenyang à l’Académie chinoise des sciences et Quan-Hong Yang du groupe Nanoyang à l’École de génie chimique et de technologie de Tianjin L’université a toutes contribué à cette recherche.
Le programme national de recherche fondamentale de Chine, la Fondation nationale des sciences de la nature de Chine et le projet Taishan Scholar de la province du Shandong ont rendu cette recherche possible.
