Les chercheurs de KAUST ont fait des progrès dans le domaine du stockage des énergies renouvelables en utilisant des impulsions laser pour améliorer le MXene, un matériau d’électrode. Le MXene traditionnel est confronté à une dégradation de ses performances au fil du temps, en grande partie à cause de la formation d’oxyde de molybdène. Cependant, avec l’introduction de nanopoints fabriqués au laser, MXene a présenté un stockage amélioré du lithium et une charge plus rapide. Notamment, lors des tests, la capacité de stockage du matériau a été multipliée par quatre, rivalisant avec celle du graphite, sans aucune perte de capacité observée.
Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser pour améliorer les propriétés des électrodes de MXene, conduisant à une avancée potentielle dans la technologie des batteries rechargeables qui pourrait surpasser les batteries lithium-ion traditionnelles.
Alors que la communauté mondiale se tourne vers des sources d’énergie renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne, la demande de batteries rechargeables hautes performances s’intensifie. Ces batteries sont essentielles pour stocker l’énergie provenant de sources renouvelables intermittentes. Même si les batteries lithium-ion actuelles sont efficaces, elles peuvent encore être améliorées. Développer de nouveaux matériaux d’électrodes est un moyen d’améliorer leurs performances.
Zahra Bayhan développe des batteries intégrant des MXènes, qui pourraient remplacer le graphite dans certaines batteries grâce à son excellente conductivité. Crédit : © 2023 KAUST ; Anastasia Serine
MXene : un matériau d’électrode prometteur
Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies King Abdullah (KAUST) ont démontré l’utilisation d’impulsions laser pour modifier la structure d’un matériau d’électrode alternatif prometteur connu sous le nom de MXene, augmentant ainsi sa capacité énergétique et d’autres propriétés clés. Les chercheurs espèrent que cette stratégie pourrait aider à concevoir un matériau d’anode amélioré dans les batteries de nouvelle génération.
Le graphite contient des couches plates d’atomes de carbone et, pendant le chargement de la batterie, les atomes de lithium sont stockés entre ces couches dans 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 liés à des atomes de carbone ou d’azote, ce qui rend le matériau hautement conducteur. Les surfaces des couches comportent également des atomes supplémentaires tels que l’oxygène ou le fluor. Les MXènes à base de carbure de molybdène ont une capacité de stockage du lithium particulièrement bonne, mais leurs performances se dégradent rapidement après des cycles de charge et de décharge répétés.
Découvrez comment les chercheurs de KAUST contribuent au développement de la prochaine génération de batteries rechargeables. Crédit : © 2023 KAUST ; Anastasia Serine
Remédier à la dégradation des performances
L’équipe, dirigée par Husam N. Alshareef et Ph.D. Zahra Bayhan, étudiante, a découvert que cette dégradation est causée par un changement chimique qui forme de l’oxyde de molybdène dans la structure du MXène.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser infrarouges pour créer de petits « nanopoints » de carbure de molybdène dans le MXene, un processus appelé marquage laser. Ces nanopoints, d’une largeur d’environ 10 nanomètres, étaient reliés aux couches du MXene par des matériaux carbonés.
Cela offre 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, des connexions solides entre les nanopoints et les couches améliorent la conductivité du MXene et stabilisent sa structure pendant la charge et la décharge. «Cela constitue un moyen rentable et rapide d’ajuster les performances de la batterie», explique Bayhan.
Zahra Bayhan et le professeur Husam Alshareef pensent que le marquage au laser pourrait être appliqué comme stratégie générale pour améliorer les propriétés d’autres MXènes. Crédit : © 2023 KAUST ; Anastasia Serine
Résultats prometteurs et applications futures
Une anode créée à partir de ce matériau gravé au laser a été soumise à des tests dans une batterie lithium-ion sur 1 000 cycles de charge-décharge. Remarquablement, avec les nanodots, le matériau a présenté une capacité de stockage électrique quatre fois supérieure à celle du MXene inchangé, correspondant presque à la capacité maximale théorique du graphite. De plus, ce matériau modifié par laser a conservé sa pleine capacité tout au long de la phase de test.
L’équipe pense que le marquage laser pourrait être appliqué comme stratégie générale pour améliorer les propriétés d’autres MXènes. Cela pourrait permettre de développer une nouvelle génération de batteries rechargeables utilisant des métaux moins chers et plus abondants que le lithium par exemple. « Contrairement au graphite, les MXènes peuvent également intercaler des ions sodium et potassium », explique Alshareef.
