Pérovskite structurellement déformée La0.8Sr0.2Mn0.5Co0.5O3

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10043 (2022) Citer cet article

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Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie prometteurs avec des vitesses de charge/décharge et des densités de puissance élevées. Pour améliorer leur faible stabilité, nous avons fabriqué des électrodes en intégrant des matériaux pérovskites (La0.8Sr0.2Mn0.5Co0.5O3-δ, LSMCO) possédant une capacité de réaction redox avec des nanoplaquettes de graphène présentant de bonnes propriétés électroniques. L'un des composites résultants (L25G70) a démontré une capacité élevée et une excellente rétention de capacité (95 % après 5 000 cycles). Ces résultats sont supérieurs à ceux d'autres électrodes (L50G45 et L75G20) contenant un taux de LSMCO plus important ; même la L75G20 n'a pas présenté de comportement de supercondensateur après 3 000 cycles. Le GN peut induire une distorsion structurelle dans le LSMCO, ainsi la quantité élevée d'oxygène adsorbé par oxygène du réseau peut expliquer les meilleures performances électrochimiques du L25G70, tandis que l'effondrement structurel a rationalisé la défaillance du L75G20. Les résultats de cette étude ont démontré que l’utilisation de LSMCO peut améliorer la stabilité cyclique des supercondensateurs.

Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage d'énergie prometteurs et indispensables pour diverses applications liées à l'énergie, telles que l'électronique portable, les véhicules électriques hybrides et les grands équipements industriels1, en raison de leurs densités de puissance élevées, de leurs vitesses de charge/décharge élevées et de leur longue durée de vie2. En fonction de leurs mécanismes de stockage de charge, les supercondensateurs peuvent être divisés en condensateurs électriques à double couche (EDLC) et pseudocondensateurs3. Les EDLC, qui utilisent généralement des matériaux à base de carbone avec une surface élevée, stockent des charges au niveau de la grande interface entre le carbone et l'électrolyte. Cela se traduit par une densité de puissance plus élevée mais une densité d’énergie volumétrique inférieure à celle des batteries conventionnelles4,5,6,7. Les pseudocondensateurs pourraient surmonter les limites des EDLC car ils présentent une densité énergétique plus élevée que les EDLC en stockant plus de charges via une réaction redox faradique4.

Cependant, il est difficile d’obtenir simultanément une densité d’énergie élevée ainsi qu’une stabilité dans le pseudo-condensateur. Les chercheurs ont consacré des efforts importants pour résoudre ce problème en fabriquant des composites avec des matériaux pseudocapacitifs et des matériaux à base de carbone. Il a été prouvé que les composés de métaux de transition améliorent les performances électrochimiques8,9. En particulier, les matériaux à base de carbone tels que le charbon actif (AC) et les nanotubes de carbone (CNT) ont fait de grands progrès car ils garantissent une grande stabilité dans des conditions alcalines et acides grâce à leurs propriétés de surface robustes10,11. Le graphène possède également des propriétés bénéfiques, telles qu’une mobilité de charge élevée, un transport balistique et une masse effective nulle, en raison de sa grande surface, de son rapport d’aspect élevé et de son excellente conductivité électrique12,13. Récemment, les nanoplaquettes de graphène (GN) composées de plusieurs couches de graphène ont été considérées comme une alternative plus traitable au graphène monocouche présentant des propriétés similaires. Les GN peuvent être facilement dispersés dans divers solvants ou matrices, augmentant ainsi le nombre de sites actifs sans diminuer la conductivité de surface ni le volume mort14,15,16,17. Les développements de ces matériaux à base de carbone ont été utilisés pour améliorer considérablement la densité énergétique des composites à haute stabilité ; cependant, à notre connaissance, peu d’études ont systématiquement étudié le comportement des matériaux pseudocapacitifs dans les composites.

Les structures pérovskites de type ABO3 sont des matériaux pseudocapacitifs attrayants en raison de leur bonne stabilité structurelle, adaptés aux applications électrochimiques . La modulation des sites A et B peut réguler les propriétés électroniques du matériau, induisant une lacune anionique en tant que site de stockage de charges permettant d'obtenir une pseudocapacitance tout en maintenant la stabilité structurelle. Par exemple, la modulation des cations de LaMnO3 et de LaSrMnO3 a déclenché une intercalation à base d'anions et une insertion d'oxygène par l'effet de lacune anionique . LaxSr1-xCoO3-δ (0,3 ≤ x ≤ 1) a démontré une grande stabilité aux cycles, avec la rétention de 97 % et 80 % de la capacité spécifique initiale après 2000 cycles22. La pérovskite La0.8Sr0.2Mn0.5Co0.5O3-δ (LSMCO) a montré que les cations de métaux de transition à valence mixte (Mn4+/Mn3+/Mn2+) peuvent fournir une conductivité électrique élevée et maintenir un grand nombre de lacunes en oxygène, entraînant une diffusion rapide des ions oxygène23. . L’angle et la longueur de liaison entre les ions Mn et oxygène ont de forts effets sur le double échange électronique, ce qui explique la bonne conductivité électronique du matériau24. Bien que la capacité des matériaux pérovskites soit légèrement inférieure, ils ont démontré des performances de cyclage remarquablement stables par rapport à celles des polymères conducteurs et des oxydes métalliques. Par conséquent, les pérovskites ayant une stabilité structurelle devraient aider à maintenir la stabilité du cyclage à long terme.