Un matériau avec des couches d'eau atomiquement minces est prometteur pour les technologies de stockage d'énergie, et les chercheurs ont maintenant découvert que l'eau joue un rôle différent de celui que l'on avait prévu. La découverte a été possible grâce à une nouvelle méthode de microscopie à force atomique (AFM) qui mesure le taux de déformation à l'échelle sub-nano dans le matériau en réponse aux changements dans le matériau causés par le stockage d'énergie.

Les chercheurs ont étudié l'oxyde de tungstène cristallin dihydraté, qui se compose de couches d'oxyde de tungstène cristallin séparées par des couches d'eau atomiquement minces. Le matériau est intéressant car il est prometteur pour aider à stocker et à libérer l'énergie rapidement et efficacement. Cependant, le rôle joué par l'eau dans ce processus n'est pas clair.

Pour répondre à cette question, chercheurs de la North Carolina State University, le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) et la Texas A&M University ont utilisé une nouvelle méthodologie. La nouvelle technique repose sur l'AFM pour suivre l'expansion et la contraction du matériau à l'échelle atomique et en temps réel, car un instrument électronique appelé potentiostat déplace la charge dans et hors du matériau. Cette technique a permis à l'équipe de détecter même des déformations mineures dans le matériau au fur et à mesure que la charge le traversait.

"Nous avons testé à la fois l'oxyde de tungstène cristallin dihydraté et l'oxyde de tungstène cristallin - qui manque de couches d'eau, " dit Veronica Augustyn, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'État de Caroline du Nord et auteur correspondant d'un article sur le travail. "Et nous avons découvert que les couches d'eau semblent jouer un rôle important dans la façon dont le matériau réagit mécaniquement au stockage d'énergie."

"Spécifiquement, nous avons constaté que les couches d'eau font deux choses, " dit Ruocun "John" Wang, un doctorat étudiant dans le laboratoire d'Augustyn et auteur principal de l'article. "Une, les couches d'eau minimisent la déformation, ce qui signifie que le matériau se dilate et se contracte moins lorsque les ions entrent et sortent du matériau lorsqu'il y a des couches d'eau. Deux, les couches d'eau rendent la déformation plus réversible, ce qui signifie que le matériau revient plus facilement à ses dimensions d'origine."

"En termes pratiques, cela signifie que le matériau avec des couches d'eau est plus efficace pour stocker la charge, perdre moins d'énergie, " dit Augustin.

Le papier, "La microscopie à force atomique d'Operando révèle la mécanique de la transition de la batterie à l'eau structurelle vers le pseudocondensateur, " est publié dans la revue ACS Nano .