C'est super au labo, mais cela fonctionnera-t-il réellement ? C'est la question à un million de dollars perpétuellement posée aux chercheurs en génie. Pour une famille de nanomatériaux en couches, développé et étudié à l'Université Drexel - et présenté comme l'avenir du stockage d'énergie - cette réponse est maintenant, Oui.

Pour quelques temps, les chercheurs ont travaillé sur l'utilisation de matériaux bidimensionnels, nanomatériaux atomiquement minces, comme composants pour une charge plus rapide, batteries et supercondensateurs plus durables. Mais le problème avec les techniques existantes pour le faire est que lorsque l'épaisseur de la couche de matériau est augmentée à environ 100 microns - à peu près la largeur d'un cheveu humain, qui est la norme de l'industrie pour les dispositifs de stockage d'énergie - les matériaux perdent leur fonctionnalité.

Des recherches récemment publiées par Drexel et l'Université de Pennsylvanie, montre une nouvelle technique de manipulation de matériaux bidimensionnels qui permet de les façonner en films d'une épaisseur pratiquement utilisable, tout en conservant les propriétés qui en font des candidats exceptionnels pour une utilisation dans les électrodes de supercondensateurs.

L'étude, publié dans la revue La nature , se concentre sur l'utilisation de matériaux souples, similaires à ceux des écrans à cristaux liquides des téléphones et des téléviseurs, comme guide pour l'auto-assemblage des feuilles MXene. MXenes, sont une classe de nanomatériaux découverts à Drexel en 2011, particulièrement adaptées au stockage d'énergie.

"Notre méthode repose sur un mariage entre assemblage de matériaux souples et nanomatériaux fonctionnels 2D, " dit Yury Gogotsi, Doctorat., Distingué Université et professeur Bach au Drexel's College of Engineering, qui était co-auteur de la recherche. "Les films d'électrode résultants montrent un transport rapide des ions, gestion des taux exceptionnelle, et un stockage de charge égal ou supérieur aux électrodes de carbone commerciales. »

Un canal ouvert

Selon le co-auteur Yu Xia, Doctorat., un boursier postdoctoral à la Penn's School of Engineering and Applied Science, le défi de maintenir la densité d'énergie (la quantité d'énergie que les appareils peuvent stocker) et la densité de puissance (à quelle vitesse l'appareil peut charger) d'un matériau de stockage de charge réside dans le maintien de canaux clairs pour le mouvement des ions alors que les matériaux sont agrandis à des tailles plus grandes.

"Le problème de diffusion des ions dans les dispositifs de stockage d'énergie, " Xia dit, "y compris les batteries et les supercondensateurs, est depuis longtemps reconnu comme l'un des principaux problèmes entravant le développement industriel de nouvelles batteries et supercondensateurs avec une densité d'énergie et de puissance plus élevée. Classiquement, Les matériaux 2D ont l'intention de s'empiler les uns sur les autres comme des feuilles de papier dans un livre, résultant en une longueur de diffusion ionique prolongée, ce qui supprime leurs performances lorsque l'épaisseur de l'électrode se rapproche des normes industrielles."

La méthode de l'équipe évite ce problème d'empilement, qui inhibe la diffusion des ions, en soutenant les flocons de MXene dans les électrodes verticalement. Au niveau microscopique, cela pourrait ressembler à quelque chose comme des cure-dents debout dans du mastic idiot. En plus de les aligner verticalement, leur orientation peut également être ajustée en déplaçant la base en matériau souple.

La fusion par l'équipe de l'assemblage de matière molle avec des matériaux durs a donné des résultats prometteurs pour l'avenir de MXene en tant que matériau de stockage d'énergie.

"Les électrodes MXene préparées par cette méthode présentent une capacité normalisée qui est presque indépendante de l'épaisseur jusqu'à au moins 200 microns, ce qui n'est pas le cas des électrodes assemblées de manière classique, où les flocons de MXene seraient alignés parallèlement à la surface de l'électrode, " selon Tyler Mathis, doctorant au Département de science et génie des matériaux de Drexel et co-auteur de la recherche, qui a effectué tous les tests électrochimiques des matériaux.

Se tenir debout et livrer

Alors que "l'auto-assemblage de la matière molle" - le processus par lequel les molécules à l'intérieur d'un matériau s'alignent dans une orientation que les chercheurs peuvent manipuler - existe depuis les années 1970, et est maintenant le moteur de la télévision, écrans de téléphone et d'ordinateur portable, le combiner avec des matériaux durs est une avancée significative.

Bien que quelques groupes de recherche aient été en mesure de concevoir un alignement vertical des matériaux à l'aide d'un processus descendant, ces voies sont difficiles à étendre pour des applications industrielles.

"Notre processus passe par l'auto-assemblage, " dit Shu Yang, Doctorat., professeur dans les départements de science et génie des matériaux, et le génie chimique et biomoléculaire à la Penn's School of Engineering and Applied Science et co-auteur de la recherche. "C'est donc beaucoup moins cher et peut être évolutif sur une grande surface. Au final, c'est le concept d'utiliser des matériaux mous avec un alignement et un ordre intéressants par assemblage pour aligner des matériaux durs avec des nanostructures et des fonctionnalités intéressantes qui est la plus grande percée."

Pour que le matériau 2D subisse ce processus, les chercheurs ont utilisé un surfactant, qui peut se faufiler entre les couches de MXene pour les aider à former une phase cristalline liquide. Les chercheurs lui ont ensuite appliqué une méthode de cisaillement mécanique, ce qui a forcé les molécules à aligner les films de MXene verticalement. Les canaux verticaux permettent aux ions de se déplacer, ou diffuse - qui est la clé des propriétés de MXene - même lorsque le matériau est agrandi en épaisseur.

"Il y a beaucoup de connaissances fondamentales sur les cristaux liquides, " a dit Yang. " Les gens pensent que c'est une vieille technologie, mais nous ne cessons de redécouvrir que cette connaissance est en fait très utile et applicable à de nouveaux matériaux fonctionnels."

Prochain dans la ligne

Bien que les chercheurs reconnaissent qu'il y a d'autres défis à surmonter avant que la méthode puisse être utilisée dans des appareils du monde réel, ils pensent que leurs découvertes constituent un bond en avant passionnant dans le domaine. Les objectifs à long terme sont d'appliquer la méthode aux électrodes de supercondensateurs et de batteries pour alimenter les appareils électroniques mobiles, voiture électrique, et l'utilisation dans les technologies de récupération d'énergie renouvelable.

"C'est un mariage parfait entre l'auto-assemblage de matière molle et les nanomatériaux, " dit Xia. " Nous créons un nouveau monde de ces matériaux 2D qui peuvent être utilisés pour des applications industrielles réelles, correspondre à la norme de l'industrie et essayer d'en faire un véritable appareil. Après plus d'une décennie de travail sur les matériaux 2D, nous avons trouvé un moyen de surmonter l'un des plus grands obstacles à l'application et sommes en train de créer un système qui est l'un des moyens les plus plausibles de pousser ces matériaux dans l'industrie. »