Alors que le monde évolue vers des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne, il existe un besoin croissant de batteries rechargeables hautes performances pour stocker l’énergie générée par cette source d’énergie intermittente. Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui sont bonnes, mais leurs performances doivent encore être améliorées; développer de nouveaux matériaux d'électrodes est un moyen d'améliorer leurs performances.
Les chercheurs de KAUST ont démontré l'utilisation d'impulsions laser pour modifier la structure d'un matériau d'électrode alternatif prometteur appelé MXène, augmentant ainsi sa capacité énergétique et d'autres propriétés clés. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Small . Les chercheurs espèrent que cette stratégie pourrait aider à concevoir un matériau d'anode amélioré dans les batteries de nouvelle génération.
Le graphite contient des couches plates d'atomes de carbone et, pendant le chargement de la batterie, les atomes de lithium sont stockés entre ces couches dans un processus appelé intercalation. Les MXènes contiennent également des couches pouvant accueillir du lithium, mais ces couches sont constituées de métaux de transition tels que le titane ou le molybdène liés à des atomes de carbone ou d'azote, ce qui rend le matériau hautement conducteur.
Les surfaces des couches comportent également des atomes supplémentaires tels que l’oxygène ou le fluor. Les MXènes à base de carbure de molybdène ont une capacité de stockage de lithium particulièrement bonne, mais leurs performances se dégradent rapidement après des cycles de charge et de décharge répétés.
L'équipe, dirigée par Husam N. Alshareef et Ph.D. Zahra Bayhan, étudiante, a découvert que cette dégradation est causée par un changement chimique qui forme de l'oxyde de molybdène dans la structure du MXène.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser infrarouges pour créer de petits « nanopoints » de carbure de molybdène dans le MXene, un processus appelé marquage laser. Ces nanopoints, d'une largeur d'environ 10 nanomètres, étaient reliés aux couches du MXene par des matériaux carbonés.
Cela offre plusieurs avantages. Premièrement, les nanodots offrent une capacité de stockage supplémentaire pour le lithium et accélèrent le processus de charge et de décharge. Le traitement au laser réduit également la teneur en oxygène du matériau, contribuant ainsi à prévenir la formation d'oxyde de molybdène problématique. Enfin, des connexions solides entre les nanopoints et les couches améliorent la conductivité du MXene et stabilisent sa structure pendant la charge et la décharge. "Cela constitue un moyen rentable et rapide d'ajuster les performances de la batterie", explique Bayhan.
Les chercheurs ont fabriqué une anode à partir du matériau gravé au laser et l'ont testée dans une batterie lithium-ion sur 1 000 cycles de charge-décharge. Avec les nanodots en place, le matériau avait une capacité de stockage électrique quatre fois supérieure à celle du MXene d'origine et atteignait presque la capacité maximale théorique du graphite. Le matériau gravé au laser n'a également montré aucune perte de capacité lors du test de cyclage.
Les chercheurs pensent que le marquage au laser pourrait être appliqué comme stratégie générale pour améliorer les propriétés d’autres MXènes. Cela pourrait permettre de développer une nouvelle génération de batteries rechargeables utilisant des métaux moins chers et plus abondants que le lithium par exemple. "Contrairement au graphite, les MXènes peuvent également intercaler des ions sodium et potassium", explique Alshareef.
Plus d'informations : Zahra Bayhan et al, Un Mo2 induit par laser CTx Anode hybride MXene pour batteries Li-Ion haute performance, Petite (2023). DOI : 10.1002/smll.202208253
Informations sur le journal : Petit
Fourni par l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah
