Les impulsions laser peuvent aider à développer des batteries haute capacité de nouvelle génération

Récemment, l'Université des sciences et technologies du Roi Abdallah (KAUST) a présenté un résultat de recherche qui pourrait contribuer à améliorer le matériau d'anode des batteries de nouvelle génération.
Il est rapporté que KAUST a démontré l'utilisation d'impulsions laser pour modifier la structure d'un matériau d'électrode alternatif potentiel appelé « MXène » afin d'améliorer sa capacité énergétique et d'autres propriétés clés.
Dans l'étude, les scientifiques ont expliqué que le graphite contient des couches plates d'atomes de carbone et que pendant le chargement de la batterie, les atomes de lithium sont stockés entre ces couches dans un processus appelé « incorporation ». La structure du matériau « MXene » contient également des couches pouvant contenir du lithium, mais ces couches sont constituées de métaux de transition comme le titane ou le molybdène combinés à des atomes de carbone ou d'azote, ce qui rend le matériau hautement conducteur.
Ces couches contiennent également des atomes supplémentaires, tels que l’oxygène ou le fluor, à leur surface. La structure du matériau « MXène » à base de carbure de molybdène présente une capacité de stockage du lithium particulièrement bonne, mais ses performances se détériorent également rapidement après des cycles de charge/décharge répétés.
L'équipe KAUST, dirigée par Husam N. Alshareef et 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, ils ont utilisé des impulsions laser infrarouges pour créer de petits « nanopoints » de carbure de molybdène dans la structure du matériau « MXène », un processus connu sous le nom de « traçage laser ». Ces nanopoints, d'une largeur d'environ 10 nanomètres, sont fixés aux couches de la structure MXene par du carbone.
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'oxydes de molybdène problématiques. Enfin, les connexions solides entre les nanodots et les couches améliorent la conductivité électrique de la structure du matériau « MXene » et la stabilisent pendant le processus de charge et de décharge.
Dans un communiqué de presse, Bayhan a déclaré : « Cela constitue un moyen rentable et rapide d'ajuster les performances des batteries. »
Les chercheurs ont fabriqué une anode avec le matériau gravé au laser et l'ont testé dans une batterie lithium-ion avec plus de 1 000 cycles de charge-décharge. Avec les nanodots, la capacité de stockage électrique du matériau était quatre fois supérieure à celle du MXene d'origine, atteignant presque la capacité maximale théorique du graphite. Le matériau gravé au laser n’a également montré aucune perte de capacité lors des tests de cyclage.
À la lumière de ces résultats, ils pensent que l’inscription laser pourrait être utilisée comme stratégie générale pour améliorer les performances d’autres structures matérielles « MXenes ». Cela pourrait par exemple conduire au développement d’une nouvelle génération de batteries rechargeables utilisant un métal moins cher et plus abondant que le lithium. De plus, contrairement au graphite, les structures des matériaux MXènes peuvent également être incrustées d’ions sodium et potassium.