Les nanodots quadruplent la capacité des batteries lithium-ion

Dans le cadre de la transition vers des sources d’énergie renouvelables, l’exigence d’améliorer les batteries rechargeables actuelles, tels que les batteries lithium-ion, n’a jamais été aussi impérative. Les chercheurs de KAUST ont mis en lumière une stratégie ingénieuse susceptible de révolutionner le domaine des batteries rechargeables.

Les batteries lithium-ion actuelles, bien qu’efficaces, sont appelées à évoluer pour répondre aux besoins croissants de stockage d’énergie. L’une des voies explorées pour améliorer leurs performances est le développement de nouveaux matériaux d’électrode, en particulier les MXene.

Les chercheurs de KAUST ont démontré l’utilisation de pulsations laser pour modifier la structure des MXene, une avancée majeure qui améliore considérablement leur capacité énergétique et autres propriétés clés. L’équipe envisage cette stratégie comme une piste prometteuse pour l’ingénierie d’un matériau d’anode amélioré dans les batteries de prochaine génération.

Le défi de la dégradation

La dégradation des performances des MXene à base de carbure de molybdène après des cycles répétés de charge et de décharge a longtemps posé problème. L’équipe de recherche, dirigée par Husam N. Alshareef et l’étudiante doctorante Zahra Bayhan, a découvert que cette dégradation est due à une modification chimique qui forme de l’oxyde de molybdène au sein de la structure MXene.

Afin de contrer ce problème, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser infrarouges pour créer de petits « nanodots » de carbure de molybdène au sein du MXene, un procédé appelé gravure laser. Ces nanodots, d’environ 10 nanomètres de large, ont été reliés aux couches de MXene par des matériaux carbonés.

Des bénéfices multiples

Cette approche offre plusieurs avantages. Tout d’abord, les nanodots fournissent 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 à prévenir la formation d’oxyde de molybdène problématique.

Enfin, les solides connexions entre les nanodots et les couches améliorent la conductivité du MXene et stabilisent sa structure lors des cycles de charge et de décharge. « Cela offre un moyen rentable et rapide d’optimiser les performances de la batterie« , indique Bayhan.

Résultats des tests

Les chercheurs ont fabriqué une anode à partir du matériau gravé au laser et l’ont testée dans une batterie lithium-ion sur plus de 1000 cycles de charge-décharge. Avec les nanodots en place, le matériau a démontré une capacité de stockage électrique quatre fois supérieure à celle du MXene original, et a presque atteint la capacité maximale théorique du graphite. Le matériau gravé au laser n’a montré aucune perte de capacité lors du test de cyclage.

Des perspectives prometteuses

Les chercheurs estiment que la gravure laser pourrait être appliquée comme une stratégie générale pour améliorer les propriétés d’autres MXene. Cela pourrait contribuer au développement d’une nouvelle génération de batteries rechargeables qui utilisent des métaux moins chers et plus abondants que le lithium, par exemple. « Contrairement au graphite, les MXene peuvent également intercaler des ions sodium et potassium« , explique Alshareef.

En synthèse

La recherche de solutions de stockage d’énergie plus efficaces et durables est essentielle dans le contexte actuel de transition vers les énergies renouvelables. L’utilisation de la gravure laser pour améliorer la structure des matériaux d’électrode MXene représente une avancée significative. Cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de batteries rechargeables, plus performantes et rentables, participant ainsi à une transition énergétique plus fluide et plus durable.

Pour une meilleure compréhension

Q : Qu’est-ce qu’un MXene ?

Les MXene sont une classe de matériaux bidimensionnels composés de métaux de transition tels que le titane ou le molybdène liés à des atomes de carbone ou d’azote. Ils sont prometteurs pour le stockage de l’énergie en raison de leur capacité à accueillir des atomes de lithium entre leurs couches, tout comme le fait le graphite dans les batteries lithium-ion actuelles.

Q : Pourquoi le MXene se dégrade-t-il après des cycles répétés de charge et de décharge ?

Cette dégradation est due à une modification chimique qui forme de l’oxyde de molybdène au sein de la structure du MXene. Les chercheurs ont découvert que la création de « nanodots » de carbure de molybdène dans la structure du MXene permet de contrer ce problème.

Q : Quels sont les avantages de la gravure laser dans la structure du MXene ?

La gravure laser dans la structure du MXene offre plusieurs avantages, notamment une capacité de stockage supplémentaire pour le lithium, une accélération du processus de charge et de décharge, une réduction de la teneur en oxygène du matériau, et une amélioration de la conductivité du MXene.

Légende illustration principale : Zahra Bayhan et le professeur Husam Alshareef pensent que le marquage au laser pourrait être appliqué comme stratégie générale pour améliorer les propriétés d’autres MXènes. Credit : © 2023 KAUST : Anastasia Serin. DOI : 10.1002/smll.202208253