Les chercheurs utilisent le mxene pour pousser les limites de taux de charge dans le stockage d'̩nergie РScienceDaily

L'équipe, dirigée par Yury Gogotsi, PhD, Université Distinguée et professeur de Bach au Collège d'Ingénierie Drexel, au Département de Science et Ingénierie des Matériaux, a créé les nouvelles conceptions d'électrodes à partir d'un matériau hautement conducteur et bidimensionnel appelé MXene. Leur conception pourrait rendre les appareils de stockage d'énergie comme les piles, considérés comme le camion-citerne de la technologie de stockage d'énergie, tout aussi rapidement que les supercapacités rapides qui sont utilisés pour fournir de l'énergie dans un pincement – souvent en tant que batterie de secours ou pour fournir rapidement Des éclats d'énergie pour des choses comme les flashs de caméra.

"Cet article réfute le dogme largement accepté selon lequel le stockage de la charge chimique, utilisé dans les piles et pseudocapacités, est toujours beaucoup plus lent que le stockage physique utilisé dans les condensateurs électriques à double couche, également appelés supercapacités", a déclaré Gogotsi. "Nous démontrons la charge des électrodes MXene fines en dizaines de millisecondes. Ceci est activé par une conductivité électronique très élevée de MXene. Cela ouvre la voie au développement de périphériques de stockage d'énergie ultra-rapides qui peuvent être chargés et déchargés en quelques secondes, mais stockent beaucoup plus d'énergie que Supercapacités classiques ".

La clé des dispositifs de stockage d'énergie de charge plus rapide est dans la conception de l'électrode. Les électrodes sont des composants essentiels des batteries, grâce auxquelles l'énergie est stockée pendant le chargement et à partir de laquelle elle est décaissée pour alimenter nos appareils. Donc, le design idéal pour ces composants serait celui qui leur permettrait d'être rapidement chargé et de stocker plus d'énergie.

Pour stocker plus d'énergie, les matériaux devraient avoir place pour le mettre. Les matériaux d'électrode dans les batteries offrent des ports pour la charge à stocker. En électrochimie, ces ports, appelés «sites actifs rédox», sont les lieux qui contiennent une charge électrique lorsque chaque ion est livré. Donc, si le matériau de l'électrode a plus de ports, il peut stocker plus d'énergie – ce qui équivaut à une batterie avec plus de "jus".

Les collaborateurs Patrice Simon, PhD et Zifeng Lin, de l'Université Paul Sabatier en France, ont produit une conception d'électrode d'hydrogel avec plus de sites actifs redox, ce qui lui permet de stocker autant de charge que son volume en tant que batterie. Cette mesure de capacité, appelée «performance volumétrique», est une mesure importante pour juger de l'utilité de tout dispositif de stockage d'énergie.

Pour rendre ces ports d'̩lectrode d'hydrogel abondants encore plus attractifs pour le trafic ionique, l'̩quipe dirig̩e par Drexel, y compris les chercheurs Maria Lukatskaya, PhD, Sankalp Kota, ̩tudiante dipl̫m̩e du groupe de recherche MAX / MXene de Drexel dirig̩e par Michel Barsoum, Ph.D., Professeur distingu̩ au Coll̬ge d'ing̩nierie; Et Mengquiang Zhao, PhD, ont con̤u des architectures d'̩lectrodes avec une macroporosit̩ ouverte Рde nombreuses petites ouvertures Рpour rendre chaque site actif redox dans le mat̩riau MXene facilement accessible aux ions.

"Dans les batteries et les supercapacités traditionnels, les ions ont un chemin tortueux vers les ports de stockage de charge, ce qui ne ralentissent pas tout, mais crée également une situation où très peu d'ions atteignent effectivement leur destination à des taux de charge rapides", a déclaré Lukatskaya, Le premier auteur sur le journal, qui a mené la recherche dans le cadre de l'AJ Drexel Nanomaterials Institute. "L'architecture d'électrode idéale serait quelque chose comme les ions qui se déplacent vers les ports via des autoroutes à grande vitesse, à grande vitesse, au lieu de prendre des routes à une seule voie. Notre conception d'électrode macroporique atteint cet objectif, ce qui permet une charge rapide L'ordre de quelques secondes ou moins. "

Le principal avantage d'utiliser MXene comme matériau pour la conception de l'électrode est sa conductivité. Les matériaux qui permettent un écoulement rapide d'un courant électrique, comme l'aluminium et le cuivre, sont souvent utilisés dans les câbles électriques. Les MXenes sont conducteurs, tout comme les métaux, de sorte que les ions ne possèdent pas un seul chemin d'accès ouvert à un certain nombre de ports de stockage, mais ils peuvent également se déplacer très rapidement pour y rencontrer des électrons. Mikhael Levi, PhD et Netanel Shpigel, chercheurs de l'Université Bar-Ilan en Israël, ont aidé le groupe Drexel à maximiser le nombre de ports accessibles aux ions dans les électrodes MXene.

L'utilisation dans les électrodes de la batterie est juste le dernier d'une série de développements avec le matériel MXene qui a été découvert par des chercheurs du département de sciences et d'ingénierie des matériaux de Drexel en 2011. Depuis, les chercheurs les ont testés dans diverses applications de Le stockage d'énergie au blindage contre les rayonnements électromagnétiques et le filtrage d'eau. Ce dernier développement est particulièrement important car il réside dans l'un des principaux problèmes qui entravent l'expansion du marché des véhicules électriques et qui s'est heurté à l'horizon pour les appareils mobiles.

"Si nous commençons à utiliser des matériaux à faible dimension et électroniquement conducteurs comme électrodes de batterie, nous pouvons faire fonctionner beaucoup les batteries, beaucoup plus rapidement qu'aujourd'hui", a déclaré Gogotsi. "Finalement, l'appréciation de ce fait nous amènera à des batteries de voitures, d'ordinateurs portables et de téléphones cellulaires capables de recharger à des taux beaucoup plus élevés – des secondes ou des minutes plutôt que des heures".