Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies King Abdullah ont fait de grands progrès dans le stockage des énergies renouvelables en utilisant des impulsions laser pour améliorer le matériau de l’électrode MXene. Le MXène traditionnel se dégrade avec le temps, principalement en raison de la formation d'oxyde de molybdène. Cependant, avec l’introduction de nanopoints traités au laser, MXene a montré des capacités de stockage de lithium plus fortes et des vitesses de charge plus rapides. Remarquablement, lors des tests, le matériau a atteint une capacité de stockage quatre fois supérieure, comparable à celle du graphite, sans qu’aucune perte de capacité ne soit observée.
Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser pour améliorer les propriétés des électrodes du MXene, créant ainsi une avancée potentielle dans la technologie des batteries rechargeables qui pourrait surpasser les batteries lithium-ion traditionnelles.
Alors que la société mondiale se tourne vers des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire et éolienne, la demande de batteries rechargeables hautes performances augmente. Ces batteries sont essentielles au stockage de l’énergie provenant de sources d’énergie renouvelables intermittentes. Même si les batteries lithium-ion actuelles sont efficaces, des améliorations sont encore possibles. Développer de nouveaux matériaux d’électrodes est un moyen d’améliorer leurs performances.
ZahraBayhan développe des batteries contenant des MXènes, qui peuvent remplacer le graphite dans certaines batteries grâce à leur excellente conductivité. Source de l'image : ©2023KAUST;AnastasiaSerin
MXene : un matériau d’électrode prometteur
Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies King Abdullah (KAUST) ont montré comment les impulsions laser peuvent être utilisées pour modifier la structure d’un matériau d’électrode alternatif prometteur appelé MXène, améliorant ainsi sa capacité énergétique et d’autres propriétés clés. Les chercheurs espèrent que cette stratégie aidera à concevoir de meilleurs matériaux d’anode pour les batteries de nouvelle génération.
Le graphite contient des couches plates d'atomes de carbone et, pendant le chargement de la batterie, des atomes de lithium sont stockés entre ces couches, 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 combinés à des atomes de carbone ou d'azote, ce qui rend le matériau hautement conducteur. Les surfaces de ces couches contiennent également d’autres atomes comme l’oxygène ou le fluor. Les MXènes à base de carbure de molybdène ont des capacités de stockage du lithium particulièrement bonnes, mais leurs performances se dégradent rapidement après des cycles de charge-décharge répétés.
Résoudre les problèmes de dégradation des performances
L'équipe de recherche, dirigée par Husam N. Alshareef et la doctorante Zahra Bayhan, a découvert que cette dégradation est causée par des modifications chimiques dans la structure du MXène qui forment l'oxyde de molybdène.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser infrarouges pour former de petits « nanopoints » de carbure de molybdène dans le MXene, un processus connu sous le nom de marquage laser. Ces nanopoints mesurent environ 10 nanomètres de large et sont reliés à la couche de MXène via un matériau carboné.
Cela présente 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, la forte connexion entre les nanodots et les couches améliore la conductivité du MXene et stabilise sa structure pendant la charge et la décharge. Cela constitue un moyen économique et rapide d’ajuster les performances de la batterie.
Les professeurs Zahra Bayhan et Husam Alshareef estiment que le marquage au laser peut être utilisé comme stratégie générale pour améliorer les performances d'autres MXènes. Source de l'image : ©2023KAUST;AnastasiaSerin
Résultats prometteurs et applications futures
Les anodes fabriquées à partir de ce matériau gravé au laser ont été testées pendant 1 000 cycles de charge-décharge dans des batteries lithium-ion. Notamment, le matériau auquel ont été ajoutés des nanopoints a multiplié par quatre sa capacité de stockage d’électricité par rapport au MXene non modifié, atteignant presque la capacité maximale théorique du graphite. De plus, le matériau modifié au laser a conservé sa pleine capacité tout au long de la phase de test.
L'équipe de recherche estime que le marquage au laser peut être utilisé comme stratégie générale pour améliorer les performances d'autres MXènes. Cela pourrait permettre de développer une nouvelle génération de batteries rechargeables, utilisant par exemple des métaux moins chers et plus abondants que le lithium. "Contrairement au graphite, les MXènes peuvent également incorporer des ions sodium et potassium", explique Alshareef.