La clé de meilleurs téléphones portables et autres appareils électroniques rechargeables peut être dans de minuscules "sandwichs" faits de nanofeuilles, selon les recherches en génie mécanique de la Kansas State University.

Gurpreet Singh, professeur assistant en génie mécanique et nucléaire, et son équipe de recherche améliorent les batteries lithium-ion rechargeables. L'équipe s'est concentrée sur le cycle lithium du bisulfure de molybdène, ou MoS2, des draps, que Singh décrit comme un "sandwich" d'un atome de molybdène entre deux atomes de soufre.

Dans les dernières recherches, l'équipe a découvert que les feuilles de bisulfure de molybdène enveloppées de carbonitrure de silicium présentent une stabilité améliorée en tant qu'électrode de batterie avec une faible capacité de décoloration.

Les résultats apparaissent dans Nature's Rapports scientifiques dans l'article « Papier composite MoS2 fonctionnalisé en céramique dérivée d'un polymère en tant qu'électrode de batterie lithium-ion stable ». Parmi les autres chercheurs de la Kansas State University impliqués figurent Lamuel David, doctorant en génie mécanique, Inde; Uriel Barrera, sénior en génie mécanique, Olathe; et Romil Bhandavat, 2013 Doctorat en génie mécanique.

Dans cette dernière publication, L'équipe de Singh a observé que les feuilles de bisulfure de molybdène stockent plus de deux fois plus de lithium - ou de charge - que le disulfure de molybdène en vrac rapporté dans des études précédentes. Les chercheurs ont également découvert que la capacité élevée en lithium de ces feuilles ne dure pas longtemps et diminue après cinq cycles de charge.

"Ce genre de comportement est similaire à une batterie de type lithium-soufre, qui utilise le soufre comme une de ses électrodes, " a déclaré Singh. " Le soufre est notoirement célèbre pour former des polysulfures intermédiaires qui se dissolvent dans l'électrolyte organique de la batterie, ce qui entraîne une perte de capacité. Nous pensons que la baisse de capacité observée dans les feuilles de bisulfure de molybdène est également due à la perte de soufre dans l'électrolyte."

Pour réduire la dissolution des produits à base de soufre dans l'électrolyte, les chercheurs ont enveloppé les feuilles de bisulfure de molybdène avec quelques couches d'une céramique appelée carbonitrure de silicium, ou SiCN. La céramique est une haute température, matériau vitreux préparé en chauffant des polymères liquides à base de silicium et a une résistance chimique beaucoup plus élevée vis-à-vis de l'électrolyte liquide, dit Singh.

« Les feuilles de bisulfure de molybdène enveloppées de carbonitrure de silicium présentent un cycle stable des ions lithium, que l'électrode de la batterie soit sur une méthode traditionnelle de feuille de cuivre ou en tant que papier flexible autoportant comme dans les batteries pliables, " a déclaré Singh.

Après les réactions, l'équipe de recherche a également dissimulé et observé les cellules au microscope électronique, qui a fourni la preuve que le carbonitrure de silicium protégeait contre la dégradation mécanique et chimique avec un électrolyte organique liquide.

Singh et son équipe veulent maintenant mieux comprendre comment les cellules au bisulfure de molybdène pourraient se comporter dans un appareil électronique de tous les jours, tel qu'un téléphone portable, rechargé des centaines de fois. Les chercheurs continueront de tester les cellules au bisulfure de molybdène pendant les cycles de recharge pour avoir plus de données à analyser et mieux comprendre comment améliorer les batteries rechargeables.

D'autres recherches menées par l'équipe de Singh pourraient aider à améliorer les revêtements à haute température pour l'aérospatiale et la défense. Les ingénieurs développent un matériau de revêtement pour protéger les matériaux des électrodes contre les conditions difficiles, tels que les aubes de turbine et les métaux soumis à une chaleur intense.

La recherche apparaît dans le Journal of Physical Chemistry. Les chercheurs ont montré que lorsque des nanofeuillets de carbonitrure de silicium et de nitrure de bore sont combinés, ils ont une stabilité à haute température et une conductivité électrique améliorée. En outre, ces nanofeuilles de carbonitrure de silicium/nitrure de bore sont de meilleures électrodes de batterie, dit Singh.

"C'était assez surprenant car le carbonitrure de silicium et le nitrure de bore sont des isolants et ont peu de capacité réversible pour les ions lithium, " a déclaré Singh. " Une analyse plus approfondie a montré que la conductivité électrique s'est améliorée en raison de la formation d'un réseau de percolation d'atomes de carbone connu sous le nom de " carbone libre " qui est présent dans la phase céramique de carbonitrure de silicium. Cela ne se produit que lorsque des feuilles de nitrure de bore sont ajoutées au précurseur de carbonitrure de silicium dans sa phase polymère liquide avant que le durcissement ne soit atteint."