Comprendre pourquoi certains matériaux fonctionnent mieux que d’autres lorsqu’il s’agit de stocker de l’énergie est une étape cruciale pour le développement des batteries qui alimenteront les appareils électroniques, les véhicules électriques et les réseaux d’énergie renouvelable. Des chercheurs de l’université de Drexel ont mis au point une nouvelle technique qui permet d’identifier rapidement les mécanismes électrochimiques exacts qui interviennent dans les batteries et les supercondensateurs de diverses compositions – une avancée qui pourrait accélérer la conception de dispositifs de stockage d’énergie plus performants.
La méthode de l’équipe de Drexel, qui fait l’objet d’un article dans Nature Energy, combine deux procédures de recherche scientifique bien établies, l’une utilisée pour déterminer la composition des composés chimiques en fonction de leur capacité à absorber la lumière visible et l’autre qui mesure le courant électrique des dispositifs de stockage d’énergie, tels que les batteries et les supercondensateurs. En effectuant ces tests simultanément, les chercheurs ont trouvé un moyen plus précis de suivre le transfert d’ions dans les dispositifs, révélant ainsi le processus électrochimique complexe qui régit la production d’énergie utilisable.
Une meilleure vue d’ensemble
« Bien qu’il s’agisse d’un domaine bien étudié depuis des décennies, nous ne comprenons pas encore parfaitement les mécanismes des processus électrochimiques dans divers systèmes de stockage d’énergie« , a déclaré Danzhen Zhang, doctorant au département de science et d’ingénierie des matériaux de la faculté d’ingénierie de Drexel, et coauteur de l’article. « Bien que nous ayons une compréhension conceptuelle des réactions électrochimiques impliquées, la quantification et l’observation de ces systèmes électrochimiques complexes de manière significative pendant leur fonctionnement sont extrêmement difficiles et restent un domaine de recherche permanent.«
La difficulté réside dans le fait qu’il n’est pas possible de voir les ions – les particules atomiques chargées qui s’accumulent dans un appareil lorsqu’il se charge et dont le mouvement crée le courant électrique qui lui permet d’alimenter un appareil. Ils sont trop petits et se déplacent trop rapidement. Le mieux que les chercheurs puissent faire est de se fier aux signaux qui indiquent où ils sont susceptibles d’être présents – une sorte de radar atomique à faible résolution – en lançant des particules vers eux et en enregistrant ce qui rebondit.
Sans pouvoir voir comment les ions s’organisent à l’intérieur, au-dessus et entre les compartiments de stockage d’énergie du dispositif, appelés électrodes, il peut être très difficile de les concevoir correctement pour maximiser la zone de stockage d’énergie et faciliter l’entrée et la sortie ordonnées des ions.
« C’est comme si vous ouvriez la porte de votre garde-manger les yeux fermés et que vous renifliez l’intérieur pour déterminer si vous avez assez de place pour quelques boîtes de soupe supplémentaires« , a déclaré John Wang, PhD, associé de recherche postdoctorale au College of Engineering, et coauteur de l’article. « À l’heure actuelle, il reste difficile d’effectuer des mesures directes et d’observer les performances des dispositifs de stockage de l’énergie. Ce serait beaucoup mieux si nous pouvions obtenir un bon aperçu de la structure atomique afin de savoir comment et où les ions s’insèrent – nous pourrions alors peut-être concevoir une structure capable d’en accueillir beaucoup plus. Nous pensons que la méthode que nous avons créée nous permettra d’effectuer ces mesures et ces ajustements« .
Essayer de s’intégrer
Les trois façons les plus courantes dont les ions s’assemblent sur une électrode sont à l’intérieur de ses couches atomiques, à sa surface ou sur d’autres ions déjà présents à sa surface.
Chacun de ces arrangements présente des avantages et des inconvénients en ce qui concerne les performances des batteries ou des supercondensateurs. L’entrée, ou l’intercalation, dans les couches du matériau de l’électrode permet de stocker davantage d’ions, c’est-à-dire d’énergie. L’attachement et le détachement à la surface du matériau, appelé réaction d’oxydoréduction de surface, permet une libération rapide de l’énergie. Et le fait de se percher avec des molécules de solvant sur une couche d’ions à la surface, une réaction électrique à double couche, permet une décharge de puissance légèrement plus importante, mais moins d’énergie.
Les chercheurs peuvent observer le temps qu’il faut à un dispositif de stockage pour se décharger et se recharger, ou tester le matériau de l’électrode au début et à la fin d’un cycle de décharge pour se faire une idée assez précise du mécanisme de stockage prédominant.
Un secret troublant
Mais des recherches récentes suggèrent que ces mécanismes de stockage de l’énergie ne se produisent pas toujours sous la forme de réactions ordonnées et discrètes. Un certain nombre de réactions se produisent avec des mécanismes mixtes ou intermédiaires. Il est donc important de les distinguer avec précision et de les comprendre fondamentalement pour améliorer les performances des dispositifs de stockage de l’énergie.
En étant en mesure de quantifier avec précision et de suivre les ions à l’intérieur d’une électrode et de les suivre au cours de ses cycles de charge-décharge, les chercheurs auront une meilleure idée de toutes les réactions qui se produisent et, surtout, ils pourront identifier les réactions secondaires parasites susceptibles d’entraver les performances du dispositif.
Forts de ces informations, les concepteurs pourront mieux adapter les matériaux d’électrode et les électrolytes afin d’améliorer les performances et de limiter la dégradation.
Une combinaison éclairante
La nouvelle méthode de l’équipe de Drexel permet de surveiller à la fois le positionnement et le mouvement des ions de l’électrolyte à l’électrode dans un dispositif de stockage d’énergie. Leur approche combine la spectroscopie ultraviolette-visible (UV-vis) – une méthode permettant de déterminer la composition chimique d’un composé en fonction de la façon dont il absorbe la lumière – avec une méthode qui mesure le courant électrique pendant les cycles de charge-décharge, appelée voltampérométrie cyclique (CV).
La percée a eu lieu lorsque le groupe a utilisé la spectroscopie UV-vis pour observer l’interaction électrochimique dans des films minces de nanomatériaux d’une série de systèmes électrode-électrolyte. Bien que la spectroscopie UV-vis n’ait pas été traditionnellement utilisée de cette manière, le fait que le matériau d’électrode étudié était si fin qu’il était transparent a permis à la spectroscopie UV-vis de caractériser ses changements électrochimiques au cours de la charge et de la décharge.
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Pour valider ses premiers résultats, l’équipe a enregistré des données spectrales à l’aide de l’UV-vis aux mêmes intervalles que les réactions électrochimiques. Au cours de ce processus, ils ont réalisé qu’il était possible de synchroniser les données spectrales visuelles UV-Vis avec les mesures CV du courant, ce qui éliminerait un niveau d’incertitude entourant le comportement électrochimique qu’ils tentaient de quantifier.
En corrélant les signaux des deux méthodes, les chercheurs ont pu déterminer non seulement le moment où une réaction particulière se produisait, mais aussi le nombre d’électrons transférés au cours de la réaction – l’indicateur clé du type de mécanisme électrochimique en cours.
Pour relier les résultats, l’équipe a tracé les données UV-vis sur un graphique avec les mesures CV, créant ainsi une courbe appelée « UV-vis CV« . Chaque mécanisme électrochimique – qu’il soit d’oxydoréduction, partiellement d’oxydoréduction ou à double couche électrique – se présente sous la forme d’une courbe distincte en raison de la façon dont le transfert d’électrons modifie le passage de la lumière à travers le matériau, ainsi que son courant électrique.
Par exemple, une ligne de forme grossièrement rectangulaire indique qu’une charge électrique double couche est en cours, tandis que des courbes avec des pics marqués indiquent qu’une réaction d’oxydoréduction est en cours.
Les courbes CV UV-vis nous ont permis d’identifier une corrélation entre les changements spectraux et les processus électrochimiques, facilitant ainsi la différenciation des processus redox de type batterie à double couche électrique, pseudocapacitive et à intercalation », écrivent-ils. « En outre, l’étalonnage du changement d’état d’oxydation dans un système pseudocapacitif a permis de quantifier le nombre d’électrons transférés au cours de la réaction, de manière similaire à la spectroscopie d’absorption des rayons X synchrotron in situ.«
Affiner l’image
La corrélation a fourni suffisamment d’informations pour que l’équipe comprenne comment la structure électronique des matériaux d’électrode a changé pendant le cycle, selon Danzhen. Il s’agit d’une mesure plus précise que celles enregistrées par les méthodes plus coûteuses et plus longues actuellement utilisées, telles que la spectroscopie d’absorption des rayons X ou la spectroscopie de perte d’énergie des électrons.
« En faisant correspondre ou recouper ces mesures avec précision, nous pouvons éliminer les effets des réactions parasites et rendre nos résultats quantitatifs plus précis« , a déclaré M. Danzhen.
En mettant sa méthode à l’épreuve, l’équipe a pu confirmer une hypothèse selon laquelle le mécanisme régissant l’interaction entre un électrolyte d’eau dans du sel et une électrode à couche mince, constituée d’un nanomatériau bidimensionnel en couches, appelé MXene, découvert et étudié à Drexel, est un processus de charge électrique à double couche.
« Auparavant, les chercheurs utilisaient l’UV-vis pour distinguer qualitativement les mécanismes de stockage de l’énergie, mais ne quantifiaient jamais les activités d’oxydoréduction« , explique M. Danzhen. « Notre méthode UV-vis pour quantifier le nombre de transferts d’électrons élimine efficacement cet effet en utilisant des signaux optiques pour surveiller directement les changements dans les matériaux d’électrodes. En outre, les calculs de dérivation effectués dans le cadre de la méthode UV-vis contribuent à éliminer les imprécisions rencontrées lors de la caractérisation électrochimique conventionnelle. »
Une voie plus claire vers l’avenir
Bien que son application actuelle soit limitée à la transparence des matériaux d’électrodes, les chercheurs suggèrent que cette méthode pourrait constituer une alternative peu coûteuse à la spectroscopie d’absorption des rayons X, dont l’équipement peut coûter plus d’un million de dollars. Ils notent que cette méthode pourrait faciliter le développement de matériaux pour le stockage de l’énergie, la désionisation capacitive de l’eau, l’actionnement électrochimique et la collecte d’énergie.
« L’identification de la combinaison précise de matériaux d’électrodes et d’électrolytes parmi une myriade de possibilités nécessite une évaluation et une catégorisation rapides du comportement électrochimique des matériaux utilisés« , a déclaré Yury Gogotsi, docteur en sciences, professeur émérite de l’université et professeur Bach au College of Engineering, qui a dirigé la recherche. « Notre méthode fournit un processus efficace, utilisant un équipement facilement disponible, qui peut rapidement et précisément catégoriser la façon dont les matériaux interagissent avec les ions dans les systèmes électrochimiques. En l’utilisant pour tracer notre voie vers de meilleurs matériaux et dispositifs de stockage de l’énergie, nous pourrions éviter de nombreux faux pas« .
L’équipe prévoit de poursuivre ses travaux en utilisant sa méthode pour tester de nouvelles combinaisons de matériaux d’électrolyte et d’électrode et pour étudier des systèmes plus complexes de stockage d’énergie électrochimique.
