(Phys.org)—Un chercheur de la Kansas State University développe des moyens plus efficaces de réduire les coûts, du temps et de l'énergie lors de la création de nanomatériaux et de batteries lithium-ion.

Gurpreet Singh, professeur assistant en génie mécanique et nucléaire, et son équipe de recherche ont publié deux articles récents sur les des méthodes moins coûteuses et plus rapides pour créer des nanomatériaux pouvant être utilisés pour les batteries lithium-ion. L'année dernière, Singh a publié huit articles, dont cinq concernent la recherche sur les batteries lithium-ion.

« Nous explorons de nouvelles méthodes pour une synthèse rapide et économique de matériaux bidimensionnels pour les applications de batteries rechargeables, " a déclaré Singh. " Nous sommes intéressés par cette recherche car la compréhension de l'interaction du lithium avec un seul, des matériaux à double et à plusieurs couches d'épaisseur nous permettront à terme de concevoir des électrodes de batterie pour des applications pratiques. Cela inclut les batteries qui montrent une capacité améliorée, efficacité et durée de vie plus longue."

Pour les dernières recherches, L'équipe de Singh a créé des films de graphène d'une épaisseur comprise entre deux et dix couches. Le graphène est une feuille de carbone de l'épaisseur d'un atome. Les chercheurs ont fait pousser les films de graphène sur des feuilles de cuivre et de nickel en les chauffant rapidement dans un four en présence de quantités contrôlées d'argon, les gaz d'hydrogène et de méthane. L'équipe a pu créer ces films en moins de 30 minutes. Leurs travaux sont publiés dans le numéro de janvier d'ACS-Applied Materials and Interfaces dans un article intitulé "Synthesis of graphene films by rapid Heating and quenching at ambient Pressures and their electrochemical characterization".

La recherche est importante car les chercheurs ont créé ces feuilles de graphène en chauffant et en refroidissant rapidement les substrats de cuivre et de nickel à des pressions atmosphériques, ce qui signifie que les scientifiques n'ont plus besoin d'un vide pour créer des films de graphène de quelques couches d'épaisseur et peuvent économiser de l'énergie, temps et coût, dit Singh.

Les chercheurs ont utilisé ces films de graphène pour créer l'électrode négative d'une cellule lithium-ion, puis ont étudié les caractéristiques de charge et de décharge de cette batterie rechargeable. Ils ont découvert que les films de graphène cultivés sur du cuivre ne cyclaient pas les ions lithium et que la capacité de la batterie était négligeable. Mais le graphène cultivé sur du nickel a montré des performances améliorées car il était capable de stocker et de libérer des ions lithium plus efficacement.

"Nous pensons que ce comportement se produit parce que les feuilles de graphène sur nickel sont relativement épaisses près des joints de grains et empilées d'une manière bien définie - appelée empilement de Bernal - qui fournit plusieurs sites pour une absorption et une libération faciles des ions lithium lorsque la batterie est déchargée et chargé, " a déclaré Singh.

Dans un deuxième projet de recherche, les chercheurs ont créé des nanofeuillets de disulfure de tungstène d'environ 10 couches d'épaisseur. En commençant par la poudre de disulfure de tungstène en vrac, qui est un type de lubrifiant sec utilisé dans l'industrie automobile, l'équipe a pu séparer des feuilles épaisses de couche atomique de disulfure de tungstène dans une solution acide forte. Cette méthode simple a permis de produire des feuilles en grande quantité. Tout comme le graphène, le disulfure de tungstène a également une structure atomique en couches, mais les couches individuelles ont trois atomes d'épaisseur.

Les chercheurs ont découvert que ces feuilles de disulfure de tungstène traitées à l'acide pouvaient également stocker et libérer des ions lithium, mais d'une manière différente. Le lithium est stocké par une réaction de conversion dans laquelle le disulfure de tungstène se dissocie pour former du tungstène et du sulfure de lithium lorsque la pile est déchargée. Contrairement au graphène, cette réaction implique le transfert d'au moins deux électrons par atome de tungstène. Ceci est important car les chercheurs ont longtemps ignoré des composés tels que les anodes de batterie en raison de la difficulté associée à l'ajout de lithium à ces matériaux, dit Singh. Ce n'est que récemment que les anodes de batterie à réaction de conversion ont gagné en popularité.

"Nous réalisons également que le disulfure de tungstène est un composé lourd par rapport au graphite de pointe utilisé dans les batteries lithium-ion actuelles, " a déclaré Singh. " Par conséquent, le disulfure de tungstène n'est peut-être pas un matériau d'électrode idéal pour les batteries portables. "

La recherche a été publiée dans un récent numéro de la Journal des lettres de chimie physique dans un article intitulé "Synthesis of surface-functionalized WS2 nanosheets and performance as Li-ion battery anodes".

Les deux projets sont importants car ils peuvent aider les scientifiques à créer des nanomatériaux de manière rentable. Alors que de nombreuses études se sont concentrées sur la fabrication de graphène à l'aide de procédés chimiques à basse pression, peu de recherches ont été tentées en utilisant un chauffage et un refroidissement rapides à pression atmosphérique, dit Singh. De la même manière, de grandes quantités de feuilles épaisses monocouches et multicouches de bisulfure de tungstène sont nécessaires pour d'autres applications.

"De façon intéressante, pour la plupart des applications impliquant ce type de recherche sur les batteries et la prévention de la corrosion, des films de quelques atomes d'épaisseur sont généralement suffisants, " a déclaré Singh. " Des films de très haute qualité à un seul atome d'épaisseur ne sont pas une nécessité. "

Singh prévoit de futures recherches pour étudier comment ces nanomatériaux en couches peuvent créer de meilleures électrodes sous forme d'hétérostructures, qui sont essentiellement des structures empilées tridimensionnelles impliquant des couches alternées de graphène et de bisulfure de tungstène ou de molybdène.