Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, L'Université Drexel et ses partenaires ont découvert un moyen d'améliorer la densité énergétique de matériaux de stockage d'énergie prometteurs, céramiques conductrices bidimensionnelles appelées MXenes. Les résultats sont publiés dans Énergie naturelle .

Les piles d'aujourd'hui, qui reposent sur la charge stockée dans la majeure partie de leurs électrodes, offrir une grande capacité de stockage d'énergie, mais les vitesses de charge lentes limitent leur application dans l'électronique grand public et les véhicules électriques. Les piliers du stockage d'énergie de demain pourraient être des condensateurs électrochimiques, connu sous le nom de supercondensateurs, qui stockent la charge à la surface de leur matériau d'électrode pour une charge et une décharge rapides. Cependant, à l'heure actuelle, les supercondensateurs n'ont pas la capacité de stockage de charge, ou densité d'énergie, de piles.

"La communauté du stockage d'énergie est conservatrice, en utilisant les mêmes quelques solvants électrolytiques pour tous les supercondensateurs, " a déclaré l'enquêteur principal Yury Gogotsi, un professeur de l'Université Drexel qui a planifié l'étude avec son chercheur postdoctoral Xuehang Wang. « Les nouveaux matériaux d'électrode comme le MXenes nécessitent des solvants électrolytiques qui correspondent à leur chimie et à leurs propriétés. »

Les surfaces des différents MXenes peuvent être recouvertes de divers groupes de bornes, y compris l'oxygène, des espèces fluorées ou hydroxyles, qui interagissent fortement et spécifiquement avec différents solvants et sels dissous dans l'électrolyte. Une bonne correspondance électrolyte solvant-électrode peut alors augmenter la vitesse de charge ou augmenter la capacité de stockage.

"Notre étude a montré que la densité d'énergie des supercondensateurs à base de matériaux MXene bidimensionnels peut être considérablement augmentée en choisissant le solvant approprié pour l'électrolyte, " a ajouté le co-auteur Lukas Vlcek de l'Université du Tennessee, qui mène des recherches à l'UT et au Joint Institute for Computational Sciences de l'ORNL. "En changeant simplement le solvant, nous pouvons doubler le stockage de charge."

Le travail s'inscrivait dans le cadre des Fluid Interface Reactions, Centre Structures et Transports (FIRST), un centre de recherche Energy Frontier dirigé par ORNL et soutenu par le DOE Office of Science. La recherche FIRST explore les réactions d'interface fluide-solide ayant des conséquences sur le transport de l'énergie dans les applications quotidiennes.

Ke Li de Drexel a synthétisé le carbure de titane MXene à partir d'une céramique parente "MAX" contenant du titane (indiqué par "M"), l'aluminium ("A") et le carbone ("X") - en décapant les couches d'aluminium pour former des monocouches de MXene à cinq couches de carbure de titane.

Ensuite, les chercheurs ont trempé les MXenes dans des électrolytes à base de lithium dans divers solvants aux structures et propriétés moléculaires radicalement différentes. La charge électrique était transportée par des ions lithium qui s'insèrent facilement entre les couches de MXene.

La microscopie électronique à transmission a révélé l'intégrité structurelle des matériaux avant et après les expériences électrochimiques, tandis que la spectroscopie photoélectronique aux rayons X et la spectroscopie Raman ont caractérisé la composition du MXene et les interactions chimiques entre la surface du MXene et le solvant électrolytique.

Des mesures électrochimiques ont montré que la capacité maximale (quantité d'énergie stockée) était atteinte en utilisant un électrolyte moins conducteur. Cette observation était inhabituelle et contre-intuitive car on s'attendrait à un électrolyte à base de solvant d'acétonitrile couramment utilisé, ayant la conductivité la plus élevée de tous les électrolytes testés, pour offrir les meilleures performances. La diffraction des rayons X in situ a montré une expansion et une contraction de l'espacement entre les couches de MXene pendant la charge et la décharge lorsque l'acétonitrile était utilisé, mais aucun changement dans l'espacement intercouche lorsque le solvant carbonate de propylène a été utilisé. Ce dernier solvant a entraîné une capacité beaucoup plus élevée. Par ailleurs, les électrodes qui ne se dilatent pas lorsque les ions entrent et sortent devraient survivre à un plus grand nombre de cycles de charge-décharge.

Sonder la dynamique des milieux solvants électrolytiques confinés dans les couches de MXene, les chercheurs se sont tournés vers la diffusion des neutrons, qui est sensible aux atomes d'hydrogène contenus dans les molécules de solvant.

Finalement, les simulations de dynamique moléculaire effectuées par Vlcek ont ​​révélé que les interactions entre les ions lithium, les solvants électrolytiques et les surfaces MXene dépendent fortement de la taille, forme moléculaire et polarité des molécules de solvant. Dans le cas d'un électrolyte à base de carbonate de propylène, les ions lithium ne sont pas entourés de solvant et s'entassent donc étroitement entre les feuilles de MXene. Cependant, dans d'autres électrolytes, les ions lithium transportent avec eux des molécules de solvant lorsque les ions lithium migrent dans l'électrode, conduisant à son expansion lors de la charge. La modélisation pourra guider la sélection des futurs couples électrode-électrolyte solvant.

"Différents solvants ont créé différents environnements confinés qui ont ensuite eu une profonde influence sur le transport de charge et les interactions des ions avec les électrodes MXene, " a déclaré Vlcek. " Cette variété de structures et de comportements a été rendue possible par la structure en couches des électrodes MXene, qui peut répondre à la charge en élargissant et en contractant facilement l'espace intercalaire pour s'adapter à une gamme beaucoup plus large de solvants que les électrodes avec des cadres plus rigides."

Le titre de l'article est "Influences des solvants sur le stockage de charge dans le carbure de titane MXenes".