1. Introduction
Oxyde de graphène monocouche Le SLGO, un nanomatériau de carbone bidimensionnel (2D) dérivé du graphène, a suscité un vif intérêt dans le domaine des LIB. Sa structure unique et ses excellentes propriétés physicochimiques (par exemple, une conductivité électrique élevée, une grande surface spécifique et une abondance de groupes fonctionnels oxygénés) en font un candidat prometteur pour répondre aux contraintes des matériaux LIB traditionnels. Cet article passe en revue les caractéristiques structurelles du SLGO, son application aux électrodes LIB (cathodes et anodes), les additifs conducteurs et les améliorations de sécurité, ainsi que ses méthodes de préparation, ses défis techniques et ses perspectives de développement.
2. Propriétés uniques de l'oxyde de graphène monocouche
2.1 Caractéristiques structurelles
Le SLGO est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en réseau hexagonal, avec une longueur de liaison CC d'environ 0,142 nm. La plupart des atomes de carbone du SLGO sont hybridés sp², formant une structure conjuguée plane qui contribue à sa conductivité électrique élevée. Contrairement au graphène vierge, le SLGO contient de nombreux groupes fonctionnels oxygénés (par exemple, hydroxyle (-OH), époxy (-O-) et carboxyle (-COOH)) sur son plan basal et ses bords. Ces groupes fonctionnels améliorent non seulement l'hydrophilie et la dispersibilité du SLGO dans les solvants aqueux et organiques, mais fournissent également des sites actifs pour la modification chimique et la préparation de composites.
L'arrangement atomique du SLGO influence directement ses performances : son réseau hexagonal intact assure un transport efficace des électrons, tandis que les groupes fonctionnels oxygénés améliorent son interaction avec d'autres matériaux (par exemple, les matériaux actifs des électrodes et les électrolytes). Cependant, un excès de groupes oxygénés peut détruire la structure conjuguée, entraînant une diminution de la conductivité électrique. Par conséquent, un contrôle précis de la teneur et de la distribution en oxygène du SLGO est crucial pour son application aux batteries lithium-ion.
2.2 Propriétés physicochimiques
Conductivité électrique élevée : La structure conjuguée sp² du SLGO permet un transport rapide des électrons, avec une conductivité électrique allant jusqu'à 10⁴ S/m (après réduction), ce qui est bien supérieur à celui des matériaux en carbone traditionnels (par exemple, le noir de carbone : ~10² S/m).
Grande surface spécifique : la structure monocouche 2D du SLGO lui confère une surface spécifique théorique d'environ 2 630 m²/g, offrant des sites abondants pour l'adsorption et le stockage du Li⁺.
Bonne hydrophilie : les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène sur SLGO le rendent facilement dispersible dans l'eau et les solvants organiques polaires, facilitant la préparation de matériaux composites et de boues d'électrodes.
Réactivité chimique : Les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène (en particulier -COOH et -OH) peuvent réagir avec les ions métalliques, les polymères et d'autres molécules fonctionnelles, permettant la conception et la synthèse de matériaux composites avancés avec des propriétés sur mesure.
3. Exploration des applications dans les matériaux cathodiques des batteries lithium-ion
3.1 Limitations des matériaux cathodiques traditionnels
Les matériaux cathodiques LIB traditionnels, tels que le phosphate de fer et de lithium (LiFePO₄), l'oxyde de cobalt et de lithium (LiCoO₂) et l'oxyde de cobalt et de nickel et de manganèse et de lithium (LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂, NCM), sont confrontés à des défis importants qui limitent leurs performances :
Faible conductivité électrique : Par exemple, LiFePO₄ a une conductivité électronique de seulement 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/cm, ce qui restreint considérablement le transport d'électrons pendant la charge et la décharge, ce qui entraîne une faible capacité de débit.
Cinétique de diffusion lente du Li⁺ : La structure cristalline dense des cathodes traditionnelles (par exemple, LiCoO₂) entraîne un faible coefficient de diffusion du Li⁺ (10⁻¹⁴~10⁻¹² cm²/s), provoquant une polarisation importante à des taux élevés.
Problèmes de stabilité du cycle : la dégradation structurelle (par exemple, la transition de phase dans LiFePO₄) et la dissolution des ions métalliques (par exemple, Co³⁺ dans LiCoO₂) pendant le cyclage entraînent une diminution de la capacité.
3.2 Tentatives et réalisations des cathodes composites SLGO
Pour remédier à ces limitations, les chercheurs ont développé des matériaux de cathode composites SLGO grâce à diverses stratégies composites, qui ont considérablement amélioré la conductivité électrique, l'efficacité de diffusion du Li⁺ et la stabilité du cycle des cathodes.
3.2.1 Stratégie de semi-encapsulation
Dans la structure de semi-encapsulation, les feuillets de SLGO sont partiellement fixés à la surface des particules cathodiques, formant un pont entre les particules. Cette structure préserve l'intégrité de la structure cristalline de la cathode tout en construisant un réseau conducteur. Par exemple, dans les composites LiFePO₄/SLGO préparés par la méthode hydrothermale, les feuillets de SLGO sont ancrés sélectivement sur le plan (010) de LiFePO₄ (le plan de diffusion principal du Li⁺). Cela améliore non seulement la conductivité électronique du composite (de 10⁻¹⁰ S/cm à 10⁻³ S/cm), mais ne bloque pas non plus les canaux de diffusion du Li⁺. À une température de 10 °C, le composite offre une capacité spécifique de 120 mAh/g, soit trois fois supérieure à celle du LiFePO₄ pur (40 mAh/g) (Zhang et al., 2020).
3.2.2 Stratégie d'encapsulation complète
La stratégie d'encapsulation complète consiste à envelopper des feuilles de SLGO autour de particules cathodiques individuelles, formant ainsi une structure cœur-coquille. Cette structure permet de supprimer efficacement la dissolution des ions métalliques et la dégradation structurelle. Pour les composites LiCoO₂/SLGO préparés par auto-assemblage électrostatique, la coquille de SLGO (épaisseur : environ 5 nm) agit comme une barrière physique empêchant la dissolution du Co₃ dans l'électrolyte. Après 500 cycles à 1 °C, le taux de rétention de capacité du composite est de 85 %, contre seulement 60 % pour le LiCoO₂ pur (Wang et al., 2021). De plus, la coquille de SLGO améliore la conductivité électrique du LiCoO₂, le composite affichant une capacité spécifique de 165 mAh/g à 0,5 °C (15 % supérieure à celle du LiCoO₂ pur).
3.2.3 Stratégie de mélange ultrasonique
Le mélange ultrasonique est une méthode simple et évolutive pour la préparation de cathodes composites SLGO. Grâce à des ultrasons de haute intensité, les feuilles de SLGO peuvent être uniformément dispersées parmi les particules cathodiques, formant ainsi un réseau conducteur 3D. Cette méthode évite l'agglomération des feuilles de SLGO et assure un bon contact entre le SLGO et les particules cathodiques. Une étude sur des composites LiNi₀.8Mn₀.1Co₀.1O₂ (NCM811)/SLGO préparés par mélange ultrasonique a montré que le composite avait un coefficient de diffusion Li⁺ de 5×10⁻¹¹ cm²/s (deux fois supérieur à celui du NCM811 pur). À une vitesse de 5 °C, le composite a fourni une capacité spécifique de 150 mAh/g, et après 200 cycles, le taux de rétention de capacité était de 92 % (Li et al., 2022).
4. Recherche approfondie sur les matériaux d'anode des batteries lithium-ion
4.1 Défis et avancées du SLGO comme matériau d'anode directe
Le SLGO présente un fort potentiel comme matériau d'anode pour les batteries lithium-ion (LIB) grâce à sa grande surface spécifique et à sa capacité théorique de stockage élevée de Li⁺ (~744 mAh/g, basé sur LiC₆). Cependant, son utilisation directe comme anode se heurte à deux défis majeurs :
4.1.1 Empilement des couches
Les forces de van der Waals entre les feuilles de SLGO provoquent facilement un empilement, ce qui réduit la surface spécifique et bloque les canaux de diffusion du Li⁺, ce qui entraîne une faible capacité de débit. Par exemple, les anodes de SLGO pur ont une surface spécifique d'environ 500 m²/g seulement (bien inférieure à la valeur théorique), et leur capacité à 5 °C est inférieure à 200 mAh/g.
4.1.2 Faible efficacité coulombienne initiale
Les groupes fonctionnels oxygénés des anodes SLGO peuvent réagir avec le Li⁺ lors du premier cycle de charge-décharge, formant ainsi une couche d'interphase électrolytique solide (SEI) à haute impédance. Il en résulte un faible rendement coulombien initial (souvent inférieur à 60 %), ce qui limite l'application pratique des anodes SLGO.
Pour répondre à ces problèmes, les chercheurs ont développé différentes méthodes de modification :
4.1.3 Méthode de dilatation thermique
Français En chauffant le SLGO à 800~1200 °C dans une atmosphère inerte (par exemple, Ar), les groupes fonctionnels contenant de l'oxygène se décomposent en produits gazeux (CO, CO₂, H₂O), générant une pression interne pour dilater les feuilles de SLGO en une structure poreuse. Cette structure poreuse empêche non seulement l'empilement des couches, mais augmente également la surface spécifique et fournit davantage de sites de stockage Li⁺. Une étude de Li et al. (2021) a montré que le SLGO expansé thermiquement (TE-SLGO) avait une surface spécifique de 1800 m²/g, et son efficacité coulombienne initiale augmentait à 85 % (en raison de la réduction des groupes contenant de l'oxygène). À un taux de 1C, le TE-SLGO a fourni une capacité spécifique réversible de 650 mAh/g, et après 200 cycles, le taux de rétention de capacité était de 92 %.
