Dans la course à la recherche de matériaux de plus en plus fins, surface et conductivité pour fabriquer des électrodes de batterie plus performantes, un morceau d'argile aurait pu prendre la tête. Les scientifiques des matériaux du Collège d'ingénierie de l'Université Drexel ont inventé l'argile, qui est à la fois hautement conducteur et peut facilement être moulé dans une variété de formes et de tailles. Cela représente un tournant par rapport au traitement plutôt compliqué et coûteux - actuellement utilisé pour fabriquer des matériaux pour les batteries lithium-ion et les supercondensateurs - et vers un traitement qui ressemble un peu à étaler de la pâte à biscuits avec des résultats encore plus doux du point de vue du stockage d'énergie.

Avec la publication de leur recette d'"argile conductrice MXene" dans l'édition du 1er décembre de La nature , les chercheurs suggèrent un changement significatif dans la façon dont les électrodes pour les dispositifs de stockage sont produites.

L'argile, qui présente déjà une conductivité équivalente à celle des métaux, peut être transformé en un film - utilisable dans une électrode - simplement en le roulant ou en le pressant.

"Les propriétés physiques de l'argile, constitué de particules de carbure de titane bidimensionnelles, ainsi que ses caractéristiques de performance, semblent en faire un candidat exceptionnellement viable pour une utilisation dans des dispositifs de stockage d'énergie comme les batteries et les supercondensateurs, " dit Yury Gogotsi, Doctorat, Distinguished University and Trustee Chair professeur au College of Engineering, et directeur de l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux, qui est co-auteur de l'article. "La procédure de fabrication de l'argile utilise également beaucoup plus sûr, ingrédients facilement disponibles que ceux que nous utilisions pour produire les électrodes MXene dans le passé."

La clé de l'utilité de ce matériau, selon Michel Barsoum, Doctorat, Professeur émérite au College of Engineering et l'un des inventeurs de MXenes, est dans sa forme.

"Comme peut en témoigner quiconque a joué avec la boue, l'argile est hydrophile - elle aime l'eau, " a déclaré Barsoum. " L'argile est également stratifiée et lorsqu'elle est hydratée, les molécules d'eau glissent entre les couches et le rendent plastique qui à son tour peut être facilement façonné en formes complexes. La même chose se passe ici; lorsque nous ajoutons de l'eau à MXene, l'eau pénètre entre les couches et confère au matériau obtenu plasticité et aptitude au moulage. Le graphène, un matériau largement étudié pour une utilisation dans les électrodes, d'autre part, est conducteur mais n'aime pas l'eau - il est hydrophobe. Ce que nous avons découvert est un matériau en couches bidimensionnel conducteur qui aime aussi l'eau. Le fait que nous puissions maintenant rouler nos électrodes rapidement et efficacement, et ne pas avoir à utiliser de liants et/ou d'additifs conducteurs rend ce matériau très attractif du point de vue de la production de masse."

La découverte a eu lieu alors que Michael Ghidiu, un doctorant conseillé par Barsoum et Gogotsi au Département de Science et Génie des Matériaux de Drexel, testait une nouvelle méthode de fabrication de MXenes, des matériaux bidimensionnels inventés par Drexel qui comptent parmi les principaux candidats pour une utilisation dans les batteries et les supercondensateurs de nouvelle génération.

S'écartant légèrement du processus de gravure chimique d'origine mis au point chez Drexel, qui utilise de l'acide fluorhydrique hautement toxique, Ghidiu a plutôt utilisé un sel de fluorure et de l'acide chlorhydrique pour graver l'aluminium à partir d'une base de titane, matériau céramique en couches appelé phase MAX, également découvert à Drexel par Barsoum. Ces deux ingrédients, qui sont des noms familiers en classe de chimie et sont également beaucoup plus sûrs à manipuler que l'acide fluorhydrique, réduit la phase MAX à un tas de particules noires. Pour arrêter la réaction et éliminer tous les produits chimiques résiduels, Ghidiu a lavé le matériau dans l'eau. Mais plutôt que de trouver les particules MXene en couches familières, il a découvert que les sédiments gravés absorbaient l'eau pour former un matériau semblable à de l'argile.

« Nous nous attendions à trouver un matériau légèrement différent provenant du nouveau processus, mais rien de tel, " a déclaré Ghidiu. "Nous espérions juste un endroit plus sûr, moyen moins coûteux de fabriquer des MXenes, quand quelque chose d'encore mieux a atterri sur la table."

L'un des premiers tests que l'équipe a effectués sur l'argile a été de voir si elle pouvait être pressée en une couche mince tout en conservant ses propriétés conductrices - après tout, son objectif initial était de faire un film conducteur.

"Pouvoir rouler de l'argile dans un film est tout un contraste dans le temps de production, la sécurité et le coût par rapport aux deux pratiques les plus courantes pour la fabrication de matériaux d'électrode, " a déclaré Ghidiu. " Le processus de gravure et de pelage utilisé pour fabriquer les MXenes et un écaillage, La méthode de filtration et de dépôt, comme la fabrication du papier, utilise des acides forts et coûteux, matériaux moins courants. Le processus de fabrication de l'argile est beaucoup plus simple, plus rapide et plus sûr."

Avec la nouvelle découverte, toutes ces étapes sont évitées, simplifiant grandement le traitement. Maintenant, les chercheurs peuvent simplement graver la phase MAX, laver le matériau résultant et rouler l'argile résultante en films de différentes épaisseurs.

"Je dirais que l'avantage le plus important de la nouvelle méthode, outre sa capacité accrue, est que nous pouvons maintenant préparer une électrode prête à l'emploi en 15 minutes environ, alors que le processus total avant à partir du même point de départ serait de l'ordre d'un jour, " dit Ghidiu.

La disponibilité de ses ingrédients rend également l'argile plutôt attrayante du point de vue de la production.

"Être capable de faire une argile conductrice, essentiellement en carbure de titane à l'aide d'un sel de fluorure commun et l'acide chlorhydrique est l'équivalent des matériaux de fabrication d'un biscuit aux pépites de chocolat - tout le monde a ces ingrédients dans le garde-manger, " dit Barsoum.

Mais une question qui résonne à travers la plupart des recherches sur les matériaux de cette nature est, bien sûr :que peut-il faire avec une charge électrique ?

Etude approfondie des performances électrochimiques de l'argile, dirigé par Maria Lukatskaya doctorante conseillée par Gogotsi et Barsoum, qui a été rapporté dans le journal, ont indiqué que la capacité de l'argile à stocker une charge électrique est trois fois supérieure à celle rapportée pour les MXènes produits par gravure à l'acide fluorhydrique. Cela signifie qu'il pourrait trouver des utilisations dans les batteries qui alimentent les téléphones portables et démarrent les voitures, ou encore dans un supercondensateur qui pourrait un jour aider les sources d'énergie renouvelables à s'intégrer dans un réseau électrique régional.

"Gardez à l'esprit qu'il s'agit de la toute première génération du matériau que nous testons, " Lukatskaya a dit. " Nous n'avons rien fait pour augmenter ses capacités, et à 900 F/cm3, il montre déjà une capacité plus élevée par unité de volume que la plupart des autres matériaux. Nous signalons également qu'il ne perd aucune de sa capacité sur plus de 10, 000 cycles de charge/décharge, nous parlons donc ici d'un morceau d'argile assez spécial."

Changer le support des scientifiques des matériaux du film à l'argile présente une variété de nouvelles avenues pour la recherche et la fabrication. L'argile peut être moulée dans n'importe quelle forme. Il pourrait également être dilué dans une peinture conductrice qui durcit en quelques minutes tout en conservant ses propriétés conductrices. Cela signifie qu'il pourrait avoir des applications dans les batteries, revêtements transparents conducteurs et renforts pour composites entre autres.

Une étude au microscope électronique des particules d'argile dispersées dans l'eau, dirigé par le co-auteur Mengqiang Zhao, Doctorat, chercheur post-doctorant dans le groupe de Gogotsi, ont montré que l'argile est constituée de couches uniques de MXene d'environ un nanomètre (quelques atomes seulement) d'épaisseur. Cette structure atomiquement mince indique que les chercheurs découvriront probablement que l'argile possède de nombreuses propriétés électroniques et optiques attrayantes au fur et à mesure qu'ils en apprennent davantage à son sujet.

"Nous prévoyons de poursuivre notre étude de ce nouveau matériau dans l'espoir de développer un processus de fabrication vraiment évolutif, améliorer la qualité et le rendement du MXene et exfolier les autres phases MAX pour produire de nouveaux MXene, qui n'a pas pu être synthétisé à l'aide du procédé utilisé précédemment, les possibilités semblent infinies. Bien que cela puisse ressembler à un peu d'argile, Je crois que cette découverte va remodeler la recherche dans le domaine à l'avenir", a déclaré Barsoum.