Les dernières batteries lithium-ion sur le marché sont susceptibles de prolonger la durée de vie charge à charge des téléphones et des voitures électriques jusqu'à 40 %. Ce bond en avant, qui vient après plus d'une décennie d'améliorations progressives, se produit parce que les développeurs ont remplacé l'anode en graphite de la batterie par une autre en silicium. Des recherches de l'Université Drexel et du Trinity College en Irlande suggèrent maintenant qu'une amélioration encore plus importante pourrait être en ligne si le silicium est fortifié avec un type spécial de matériau appelé MXene.

Cet ajustement pourrait prolonger la durée de vie des batteries Li-ion jusqu'à cinq fois, le groupe a récemment signalé dans Communication Nature . C'est possible en raison de la capacité du matériau MXene bidimensionnel à empêcher l'anode de silicium de se dilater jusqu'à son point de rupture pendant la charge, un problème qui a empêché son utilisation pendant un certain temps.

"Les anodes en silicium devraient remplacer les anodes en graphite dans les batteries Li-ion avec un impact énorme sur la quantité d'énergie stockée, " dit Yury Gogotsi, Doctorat., Distinguished University et professeur Bach au Drexel's College of Engineering et directeur de l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux du Département de science et génie des matériaux, qui était co-auteur de la recherche. "Nous avons découvert que l'ajout de matériaux MXene aux anodes en silicium peut les stabiliser suffisamment pour être réellement utilisés dans les batteries."

En piles, la charge est maintenue dans des électrodes (la cathode et l'anode) et délivrée à nos appareils lorsque les ions se déplacent de l'anode à la cathode. Les ions retournent à l'anode lorsque la batterie est rechargée. La durée de vie de la batterie a été régulièrement augmentée en trouvant des moyens d'améliorer la capacité des électrodes à envoyer et à recevoir plus d'ions. La substitution du silicium au graphite comme matériau primaire dans l'anode Li-ion permettrait d'améliorer sa capacité d'absorption d'ions car chaque atome de silicium peut accepter jusqu'à quatre ions lithium, tandis que dans les anodes en graphite, six atomes de carbone contiennent un seul lithium. Mais comme il charge, le silicium se dilate également jusqu'à 300 %, ce qui peut provoquer sa rupture et un dysfonctionnement de la batterie.

La plupart des solutions à ce problème ont impliqué l'ajout de matériaux carbonés et de liants polymères pour créer un cadre pour contenir le silicium. Le processus pour le faire, selon Gogotsi, est complexe et le carbone contribue peu au stockage de charge par la batterie.

Par contre, la méthode du groupe Drexel et Trinity mélange de la poudre de silicium dans une solution de MXene pour créer une anode hybride silicium-MXene. Les nanofeuillets de MXene se répartissent de manière aléatoire et forment un réseau continu en s'enroulant autour des particules de silicium, agissant ainsi à la fois comme additif conducteur et liant. C'est le cadre MXene qui impose également un ordre aux ions à leur arrivée et empêche l'expansion de l'anode.

"Les MXènes sont la clé pour aider le silicium à atteindre son potentiel dans les batteries, " a déclaré Gogotsi. "Parce que les MXènes sont des matériaux bidimensionnels, il y a plus de place pour les ions dans l'anode et ils peuvent s'y déplacer plus rapidement, améliorant ainsi à la fois la capacité et la conductivité de l'électrode. Ils ont également une excellente résistance mécanique, les anodes en silicium-MXène sont donc également assez durables jusqu'à 450 microns d'épaisseur."

MXenes, découvertes pour la première fois à Drexel en 2011, sont fabriqués par gravure chimique d'un matériau céramique en couches appelé phase MAX, pour enlever un ensemble de couches chimiquement apparentées, laissant une pile de flocons bidimensionnels. Les chercheurs ont produit plus de 30 types de MXene à ce jour, chacun avec un ensemble de propriétés légèrement différent. Le groupe en a sélectionné deux pour fabriquer les anodes en silicium-MXène testées pour le papier :le carbure de titane et le carbonitrure de titane. Ils ont également testé des anodes de batterie fabriquées à partir de nanoparticules de silicium enveloppées de graphène.

Les trois échantillons d'anodes ont montré une capacité lithium-ion plus élevée que les anodes actuelles en graphite ou en silicium-carbone utilisées dans les batteries Li-ion et une conductivité supérieure, de l'ordre de 100 à 1, 000 fois plus élevé que les anodes en silicium classiques, lorsque MXene est ajouté.

"Le réseau continu de nanofeuillets de MXene fournit non seulement une conductivité électrique et un espace libre suffisants pour s'adapter au changement de volume, mais résout également bien l'instabilité mécanique du Si, " écrivent-ils. " Par conséquent, la combinaison d'encre MXene visqueuse et de Si haute capacité démontrée ici offre une technique puissante pour construire des nanostructures avancées avec des performances exceptionnelles."

Chuanfang Zhang, Doctorat., chercheur post-doctoral à Trinity et auteur principal de l'étude, constate également que la fabrication des anodes MXene, par coulage en suspension, est facilement évolutif pour la production en série d'anodes de toute taille, ce qui signifie qu'ils pourraient se frayer un chemin dans les batteries qui alimentent à peu près n'importe lequel de nos appareils.

« Considérant que plus de 30 MXenes sont déjà signalés, avec plus prévu d'exister, il y a certainement beaucoup à faire pour améliorer encore les performances électrochimiques des électrodes de batterie en utilisant d'autres matériaux de la grande famille MXene, " il a dit.