Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont combiné une microscopie in situ avancée et des calculs théoriques pour découvrir des indices importants sur les propriétés d'un matériau de stockage d'énergie prometteur de nouvelle génération pour les supercondensateurs et les batteries.

Réactions d'interface fluide de l'ORNL, l'équipe de recherche Structures et Transports (FIRST), à l'aide de la microscopie à sonde à balayage mise à disposition via le programme utilisateur du Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), ont observé pour la première fois à l'échelle nanométrique et dans un environnement liquide comment les ions se déplacent et diffusent entre les couches d'une électrode bidimensionnelle au cours du cyclage électrochimique. Cette migration est essentielle pour comprendre comment l'énergie est stockée dans le matériau, appelé MXene, et ce qui motive ses propriétés exceptionnelles de stockage d'énergie.

"Nous avons développé une technique pour les environnements liquides qui nous permet de suivre comment les ions pénètrent dans les espaces intercalaires. Il existe très peu d'informations sur la façon dont cela se produit réellement, " dit Nina Balke, membre d'une équipe de chercheurs travaillant avec Yury Gogotsi de l'Université Drexel au FIRST Center, un Centre de recherche sur la frontière énergétique du DOE Office of Science.

"Les propriétés de stockage d'énergie ont été caractérisées à l'échelle microscopique, mais personne ne sait ce qui se passe dans le matériau actif à l'échelle nanométrique en termes d'insertion d'ions et comment cela affecte les contraintes et les déformations dans le matériau, " a déclaré Balke.

Le matériau dit MXene, qui agit comme une électrode bidimensionnelle pouvant être fabriquée avec la flexibilité d'une feuille de papier, est basé sur des céramiques en phase MAX, qui ont été étudiés pendant des décennies. L'élimination chimique de la couche "A" laisse des flocons bidimensionnels composés de couches de métal de transition - le "M" - prenant en sandwich des couches de carbone ou d'azote (le "X") dans le MXene résultant, qui ressemble physiquement au graphite.

Ces MXenes, qui ont présenté une capacité très élevée, ou capacité à stocker la charge électrique, n'ont été explorés que récemment comme moyen de stockage d'énergie pour les batteries avancées.

"L'interaction et le transfert de charge des couches d'ions et de MXène sont très importants pour ses performances en tant que support de stockage d'énergie. Les processus d'adsorption entraînent des phénomènes intéressants qui régissent les mécanismes que nous avons observés en microscopie à sonde à balayage, " a déclaré le chercheur de FIRST Jeremy Come.

Les chercheurs ont exploré comment les ions pénètrent dans le matériau, comment ils se déplacent une fois à l'intérieur des matériaux et comment ils interagissent avec le matériau actif. Par exemple, si cations, qui sont chargés positivement, sont introduits dans le matériau MXene chargé négativement, les contrats matériels, devenant plus rigide.

Cette observation a jeté les bases de la caractérisation à l'échelle nanométrique basée sur la microscopie à sonde à balayage. Les chercheurs ont mesuré les changements locaux de rigidité lorsque les ions pénètrent dans le matériau. Il existe une corrélation directe avec le schéma de diffusion des ions et la rigidité du matériau.

Come a noté que les ions sont insérés dans l'électrode dans une solution.

"Par conséquent, nous devons travailler dans un environnement liquide pour entraîner les ions dans le matériau MXene. Ensuite, nous pouvons mesurer les propriétés mécaniques in-situ à différentes étapes de stockage de charge, ce qui nous donne un aperçu direct de l'endroit où les ions sont stockés, " il a dit.

Jusqu'à cette étude, la technique n'avait pas été réalisée dans un environnement liquide.

Les processus derrière l'insertion d'ions et les interactions ioniques dans le matériau de l'électrode étaient hors de portée à l'échelle nanométrique jusqu'aux études du groupe de microscopie à sonde à balayage CNMS. Les expériences soulignent la nécessité d'une analyse in situ pour comprendre les changements élastiques à l'échelle nanométrique du matériau 2D dans des environnements secs et humides et l'effet du stockage d'ions sur le matériau de stockage d'énergie au fil du temps.

Les prochaines étapes des chercheurs sont d'améliorer les chemins de diffusion ionique dans le matériau et d'explorer différents matériaux de la famille MXene. Finalement, l'équipe espère comprendre le mécanisme fondamental et les propriétés mécaniques du processus, ce qui permettrait de régler le stockage d'énergie ainsi que d'améliorer les performances et la durée de vie du matériau.

L'équipe de recherche FIRST de l'ORNL a également fourni des calculs et des simulations supplémentaires basés sur la théorie fonctionnelle de la densité qui appuient les résultats expérimentaux. Le travail a été récemment publié dans le Journal Matériaux énergétiques avancés .