Les chercheurs de Drexel et de Trinity utilisent MXene pour permettre aux anodes en silicium d'éviter de grands changements de volume en cours de cycle

Des chercheurs de l'Université Drexel et du Trinity College en Irlande ont montré que les nanofeuilles bidimensionnelles de carbure de titane ou de carbonitrure - MXenes - peuvent être utilisées comme liant conducteur pour les électrodes de silicium produites par une technique de coulée en suspension simple et évolutive sans avoir besoin d'aucun autre additif. Les nanofeuillets forment un réseau métallique continu, permettent un transport rapide des charges et assurent un bon renforcement mécanique de l'électrode épaisse (jusqu'à 450 μm).

Par conséquent, ils rapportent dans un article en libre accès dans Nature Communications, qu'ils ont démontré des anodes de capacité surfacique très élevée (jusqu'à 23,3 mAh cm-2).

Traditionnellement, les additifs pour électrodes sont constitués de deux composants à base d'un agent conducteur (c'est-à-dire du noir de carbone, CB) et d'un liant polymère. Alors que le premier assure le transport de charge dans toute l'électrode, le second maintient mécaniquement les matériaux actifs et le CB ensemble pendant le cyclage. Bien que ces additifs d'électrodes traditionnels aient été largement appliqués dans les technologies de batteries Li-ion, ils ne fonctionnent pas bien dans les électrodes à haute capacité, en particulier celles qui affichent de grands changements de volume. En effet, le liant polymérique n'est pas suffisamment robuste mécaniquement pour résister aux contraintes induites lors de la lithiation/délithiation, conduisant à une perturbation sévère des réseaux conducteurs. Cela se traduit par une diminution rapide de la capacité et une faible durée de vie.

Ce problème peut être résolu en utilisant un liant conducteur pour s'adapter au changement de volume important des électrodes. … Ici, nous montrons que les objectifs décrits ci-dessus peuvent être atteints simultanément en utilisant des nanofeuilles de MXene comme nouvelle classe de liant conducteur pour fabriquer des anodes à haute teneur en M/ASi/MXene sans aucun polymère ou CB supplémentaire.

Au cours du processus de coulée en suspension, des feuilles de matériau MXene se combinent avec des particules de silicium pour former un réseau qui permet une réception plus ordonnée des ions lithium, ce qui empêche l'anode de silicium de se dilater et de se briser. Source : Université Drexel

L'enrichissement du silicium avec MXene pourrait prolonger jusqu'à cinq fois la durée de vie des batteries Li-ion ; le matériau bidimensionnel MXene empêche l'anode de silicium de se dilater jusqu'à son point de rupture pendant la charge.

La plupart des solutions au problème d'expansion volumétrique avec des anodes en silicium ont impliqué l'ajout de matériaux carbonés et de liants polymères pour créer un cadre pour contenir le silicium. Le processus pour le faire, selon Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University et Bach Professor au Drexel's College of Engineering et directeur de l'AJ Drexel Nanomaterials Institute du Département de science et d'ingénierie des matériaux, et co-auteur de la recherche, est complexe et le carbone contribue peu au stockage de charge par la batterie.

En revanche, la méthode du groupe Drexel et Trinity mélange de la poudre de silicium dans une solution MXene pour créer une anode hybride silicium-MXene. Les nanofeuilles de MXene se répartissent de manière aléatoire et forment un réseau continu tout en s'enroulant autour des particules de silicium, agissant ainsi à la fois comme additif conducteur et liant. C'est le cadre MXene qui impose également l'ordre aux ions à leur arrivée et empêche l'anode de se dilater.

Les MXenes sont la clé pour aider le silicium à atteindre son potentiel dans les batteries. Étant donné que les MXènes sont des matériaux bidimensionnels, il y a plus de place pour les ions dans l'anode et ils peuvent s'y déplacer plus rapidement, améliorant ainsi à la fois la capacité et la conductivité de l'électrode. Ils ont également une excellente résistance mécanique, de sorte que les anodes en silicium-MXène sont également assez durables jusqu'à 450 microns d'épaisseur.

Les MXenes, qui ont été découverts pour la première fois à Drexel en 2011, sont fabriqués en gravant chimiquement un matériau céramique en couches appelé phase MAX, pour éliminer un ensemble de couches chimiquement liées, laissant un empilement de flocons bidimensionnels. Les chercheurs ont produit plus de 30 types de MXene à ce jour, chacun avec un ensemble de propriétés légèrement différent. Le groupe en a sélectionné deux pour fabriquer les anodes en silicium-MXène testées pour le papier : le carbure de titane et le carbonitrure de titane. Ils ont également testé des anodes de batterie fabriquées à partir de nanoparticules de silicium enveloppées de graphène.

Les trois échantillons d'anode ont montré une capacité lithium-ion supérieure à celle des anodes actuelles en graphite ou en silicium-carbone utilisées dans les batteries Li-ion et une conductivité supérieure, de l'ordre de 100 à 1 000 fois supérieure aux anodes en silicium conventionnelles, lorsque le MXene est ajouté.

Le réseau continu de nanofeuilles de MXène fournit non seulement une conductivité électrique et un espace libre suffisants pour s'adapter au changement de volume, mais résout également bien l'instabilité mécanique du Si. Par conséquent, la combinaison d'encre visqueuse MXene et de Si haute capacité démontrée ici offre une technique puissante pour construire des nanostructures avancées avec des performances exceptionnelles.

Chuanfang Zhang, PhD, chercheur postdoctoral à Trinity et auteur principal de l'étude, note également que la production des anodes MXene, par moulage en suspension, est facilement évolutive pour la production de masse d'anodes de toutes tailles, ce qui signifie qu'elles pourraient faire leur chemin dans des batteries qui alimentent à peu près n'importe lequel de nos appareils.

L'étude a été dirigée par Zhang, un chercheur post-doctoral au Trinity College qui était étudiant au doctorat dans le laboratoire de Gogotsi. Il s'agissait d'un effort de collaboration entre Gogotsi et les professeurs de Trinity Jonathan N. Coleman et Valeria Nicolosi, leaders européens reconnus dans le domaine des matériaux 2D. Sang-Hoon Park, Andrés Seral-Ascaso, Sebastian Barwich, Niall McEvoy, Conor S. Boland, du Trinity College, ont également contribué à cette recherche.

Ressources

Chuanfang (John) Zhang, Sang-Hoon Park, Andrew Seral-Ascaso, Sebastian Barwich, Niall McEvoy, Conor S. Boland, Jonathan N. Coleman, Yury Gogotsi et Valeria Nicolosi (2019).

Publié le 22 février 2019 dans Piles | Lien permanent | Commentaires (1)