Mieux comprendre la chimie de surface entre le graphène et les liquides ioniques
Le graphène, constitué d’une couche simple d’atomes de carbone, est un matériau intéressant pour les électrodes des supercondensateurs du fait de sa grande surface d’échange et de sa forte conductivité électronique. De même, les liquides ioniques sont des candidats de premier ordre étant donné leur haute stabilité électrochimique. Cependant, l’interaction entre les électrolytes liquides ioniques et les matériaux en carbone n’est pas encore bien comprise. Au sein du projet GRAPHIL, financé par l’UE, des scientifiques ont cherché comment les modifications des structures des électrolytes liquides ioniques affectaient la structure électronique du graphène, qui à son tour avait un impact sur l’efficacité des dispositifs de stockage de l’énergie. «Identifier comment les ions chargés et la longue chaîne d’alkyles attachée à l’un d’eux se fixent à la surface de l’électrode est très important si l’on veut augmenter la capacité et l’efficacité des systèmes de stockage d’énergie», note le Dr Gangamallaiah Velpula. Des matériaux plus efficaces pour le stockage d’énergie Les condensateurs électrochimiques, également connus sous le nom de supercondensateurs, stockent l’énergie électrique via l’adsorption réversible des ions sur la surface des électrodes. Dans ces dispositifs, l’électrolyte forme une connexion conductrice ionique entre les deux électrodes. Parmi les matériaux en carbone, le graphène est celui qui est potentiellement doté de la plus grande surface d’échange, ce qui pourrait donc permettre d’augmenter la capacité électrique spécifique de manière significative. Cependant, il est difficile de comprendre comment les ions (à la fois les anions et les cations) sont transportés et interagissent avec les électrodes en graphène. Les chercheurs du projet GRAPHIL sont parvenus à donner un aperçu sans précédent de la structure détaillée des couches fines de liquide ionique en contact avec le graphène et le graphite et de la manière dont elles impactent la structure électronique du graphène lui-même. Cette étude a permis aux scientifiques de réunir des connaissances clés sur la manière de développer des matériaux plus appropriés pour les dispositifs de stockage d’énergie. Outre leur large fenêtre électrochimique, les liquides ioniques possèdent des propriétés physicochimiques exceptionnelles, ils présentent par exemple une forte stabilité thermique et sont non-inflammables. Ces propriétés en font des électrolytes adaptés aux batteries. «L’emballement thermique reste l’un des risques majeurs associés à l’utilisation de batteries lithium-ion pour les applications dans le stockage d’énergie ou les véhicules. Des réactions indésirables entre les composants de la batterie et l’électrolyte organique liquide peuvent être à l’origine d’une réaction exothermique provoquant la génération de plus en plus de chaleur, ce qui peut à terme causer un incendie ou une explosion», explique le Dr Velpula. Les électrolytes ioniques liquides non-inflammables peuvent contribuer à limiter les préoccupations en matière de sécurité liées à l’utilisation de batteries lithium-ion. Le rôle de la taille des anions Les chercheurs ont mélangé le graphène avec un liquide ionique contenant des ions chargés négativement et positivement. Dans le premier cas, les scientifiques ont utilisé l’imidazole comme cation et le bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Tf2N), une grande molécule à liaisons faibles, comme anion; dans le second cas, c’est le tetrafluoroborate (BF4), une petite molécule à liaisons fortes, qui a servi d’anion. En recourant à la microscopie à force atomique, à la spectroscopie Raman et aux simulations moléculaires, l’équipe a analysé la fine couche formée sur le graphène et le graphite et a évalué l’influence de la structure interfaciale des liquides ioniques sur la structure électronique du graphène. Les résultats obtenus ont montré que la dimension de l’anion peut modifier l’arrangement moléculaire des cations et anions liquides sur la surface du graphène. Par exemple, l’utilisation combinée de Tf2N et d’imidazole provoque l’adsorption de ce dernier sur la surface de l’électrode. Au contraire, dans les liquides ioniques contenant du BF4, ce sont les deux particules chargées qui sont plus susceptibles de se fixer par adsorption sur le graphène. Il a donc été démontré que, contrairement aux anions, les cations jouent un petit rôle dans la nanostructure du liquide ionique à l’interface avec l’électrode. Les liquides ioniques contenant des cations non-aromatiques de pyrrolidinium et du Tf2N semblent notamment exercer une légère influence sur les propriétés du graphène; et particulièrement les cations dotés de chaînes alkyles plus longues. Cela peut être attribué à la délocalisation de la charge qui est moins courante dans le cas du pyrrolidinium que dans celui de l’imidazole. Les informations fondamentales collectées par GRAPHIL sur la chimie de surface entre le graphène et les liquides ioniques seront d’une grande valeur dans le domaine de l’ingénierie de la structure des interfaces, qui à son tour devrait influencer l’efficacité des dispositifs de stockage d’énergie.
Mots‑clés
GRAPHIL, graphène, liquide ionique, stockage d’énergie, anion, cation, supercondensateur, interface, chimie de surface
