Étendre l'utilisation du silicium dans les batteries en empêchant les électrodes de se dilater

Des chercheurs de Drexel et du Trinity College en Irlande ont mis au point un moyen d'intercaler des feuilles de MXène entre des particules de silicium pour former une anode stable qui augmenterait la capacité des batteries Li-ion.

Les dernières batteries lithium-ion sur le marché sont susceptibles de prolonger la durée de vie des téléphones et des voitures électriques jusqu'à 40 %. Ce bond en avant, qui survient après plus d'une décennie d'améliorations progressives, se produit parce que les développeurs ont remplacé l'anode en graphite de la batterie par une anode en silicium. Des recherches de l'Université Drexel et du Trinity College en Irlande suggèrent maintenant qu'une amélioration encore plus importante pourrait être en ligne si le silicium est fortifié avec un type spécial de matériau appelé MXene.

Cet ajustement pourrait prolonger jusqu'à cinq fois la durée de vie des batteries Li-ion, a récemment rapporté le groupe dans Nature Communications. C'est possible grâce à la capacité du matériau MXene bidimensionnel à empêcher l'anode en silicium de se dilater jusqu'à son point de rupture pendant la charge - un problème qui a empêché son utilisation pendant un certain temps.

"Les anodes en silicium devraient remplacer les anodes en graphite dans les batteries Li-ion avec un impact énorme sur la quantité d'énergie stockée", a déclaréYury 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 génie des matériaux, qui était co-auteur de la recherche. "Nous avons découvert que l'ajout de matériaux MXene aux anodes en silicium peut les stabiliser suffisamment pour être réellement utilisées dans les batteries."

Dans les batteries, la charge est maintenue dans les électrodes - la cathode et l'anode - et transmise à nos appareils lorsque les ions se déplacent d'anode en cathode. Les ions retournent à l'anode lorsque la batterie est rechargée. La durée de vie de la batterie a été régulièrement augmentée en trouvant des moyens d'améliorer la capacité des électrodes à envoyer et à recevoir plus d'ions. Remplacer le silicium par du graphite comme matériau principal dans l'anode Li-ion améliorerait sa capacité à absorber les ions car chaque atome de silicium peut accepter jusqu'à quatre ions lithium, tandis que dans les anodes en graphite, six atomes de carbone absorbent un seul lithium. Mais pendant qu'il se charge, le silicium se dilate également - jusqu'à 300% - ce qui peut provoquer sa rupture et un dysfonctionnement de la batterie.

La plupart des solutions à ce problème ont consisté à ajouter des matériaux carbonés et des liants polymères pour créer un cadre destiné à contenir le silicium. Le processus pour le faire, selon Gogotsi, 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", a déclaré Gogotsi. "Parce 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 plus élevée que les 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 plus élevée que les anodes en silicium conventionnelles, lorsque le MXene est ajouté.

"Le réseau continu de nanofeuilles de MXene 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", écrivent-ils. "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.

"Étant donné que plus de 30 MXènes sont déjà signalés, et que d'autres devraient exister, il y a certainement beaucoup de place pour améliorer encore les performances électrochimiques des électrodes de batterie en utilisant d'autres matériaux de la grande famille MXene", a-t-il déclaré.

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.

Lire l'étude complète ici : https://rdcu.be/bnE0s

Drexel News est produit par University Marketing and Communications.

Relations avec les médias

Directives de soumission