(Phys.org) —Un ingénieur de la Kansas State University a fait une percée dans les applications de batteries rechargeables.

Gurpreet Singh, professeur assistant en génie mécanique et nucléaire, et ses étudiants-chercheurs sont les premiers à démontrer qu'un papier composite, fait de bisulfure de molybdène et de nanofeuillets de graphène entrelacés, peut être à la fois un matériau actif pour stocker efficacement les atomes de sodium et un collecteur de courant flexible. Le papier composite nouvellement développé peut être utilisé comme électrode négative dans les batteries sodium-ion.

"La plupart des électrodes négatives pour batteries sodium-ion utilisent des matériaux qui subissent une réaction d'"alliage" avec le sodium, " a déclaré Singh. " Ces matériaux peuvent gonfler jusqu'à 400 à 500 pour cent lorsque la batterie est chargée et déchargée, ce qui peut entraîner des dommages mécaniques et une perte de contact électrique avec le collecteur de courant."

"Disulfure de molybdène, le constituant majeur de l'électrode en papier, propose un nouveau type de chimie avec les ions sodium, qui est une combinaison d'intercalation et d'une réaction de type conversion, " a déclaré Singh. " L'électrode en papier offre une capacité de charge stable de 230 mAh.g-1, par rapport au poids total de l'électrode. Plus loin, la structure intercalée et poreuse de l'électrode en papier offre des canaux lisses pour que le sodium se diffuse à l'intérieur et à l'extérieur lorsque la cellule est chargée et déchargée rapidement. Cette conception élimine également les liants polymères et la feuille de collecteur de courant en cuivre utilisés dans une électrode de batterie traditionnelle."

La recherche apparaît dans le dernier numéro de la revue ACS Nano dans l'article "Papier composite MoS2/graphène pour électrodes de batterie sodium-ion".

Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont développé de nouvelles méthodes pour la synthèse rapide et rentable de matériaux bidimensionnels atomiquement minces - graphène, bisulfure de molybdène et de tungstène - en grammes, en particulier pour les applications de batteries rechargeables.

Pour les dernières recherches, les ingénieurs ont créé un papier composite de grande surface composé de bisulfure de molybdène en couches traité à l'acide et de graphène modifié chimiquement dans une structure entrelacée. La recherche marque la première fois qu'une telle électrode en papier flexible a été utilisée dans une batterie sodium-ion comme anode qui fonctionne à température ambiante. La plupart des batteries sodium-soufre commerciales fonctionnent à près de 300 degrés Celsius, dit Singh.

Singh a déclaré que la recherche est importante pour deux raisons :

1. La synthèse de grandes quantités de matériaux 2-D à couche unique ou peu épaisse est cruciale pour comprendre le véritable potentiel commercial de matériaux tels que les dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD, et le graphène.

2. Compréhension fondamentale de la façon dont le sodium est stocké dans un matériau stratifié par des mécanismes autres que la réaction conventionnelle d'intercalation et d'alliage. En outre, L'utilisation du graphène comme support flexible et collecteur de courant est cruciale pour éliminer la feuille de cuivre et fabriquer des batteries rechargeables plus légères et pliables. Contrairement au lithium, les réserves de sodium sont essentiellement illimitées et les batteries devraient être beaucoup moins chères.

« Du point de vue de la synthèse, nous avons montré que certains dichalcogénures de métaux de transition peuvent être exfoliés dans des acides forts, " a déclaré Singh. " Cette méthode devrait permettre la synthèse de quantités en grammes de feuilles de disulfure de molybdène de quelques couches d'épaisseur, ce qui est très crucial pour des applications telles que les batteries flexibles, supercondensateurs, et composites polymères. Pour de telles applications, Des flocons de TMD de quelques atomes d'épaisseur suffisent. Des flocons monocouches de très haute qualité ne sont pas une nécessité."

Les chercheurs travaillent à commercialiser la technologie, avec l'aide de l'Institut de commercialisation de l'université. Ils explorent également le stockage du lithium et du sodium dans d'autres nanomatériaux.