Les collecteurs de courant MXene pourraient réduire la taille et améliorer la recyclabilité des batteries Li-ion

La grande majorité des appareils électroniques grand public utilisent des batteries lithium-ion et, à chaque génération, ces appareils sont conçus plus petits, plus légers et avec une durée de vie plus longue pour répondre aux demandes croissantes des consommateurs. Chaque nouvelle itération rapproche également les batteries qui alimentent les appareils des limites de leur taille, de leur poids et de leurs performances.

Les chercheurs testent constamment de nouvelles approches et de nouveaux matériaux pour fabriquer des composants légers et performants. Le dernier concurrent est le MXene, un type de nanomatériau bidimensionnel conducteur métallique découvert par des chercheurs de l’Université Drexel et qui a récemment démontré son potentiel en tant que collecteur de courant, la partie de la batterie qui dirige le courant électrique vers ses électrodes.

Un article récent des chercheurs de Drexel rapporte qu’un collecteur de courant constitué d’un film MXene pourrait réduire le poids et l’épaisseur de la batterie tout en améliorant sa capacité disponible.

Publié dans la revue Rapports cellulaires Sciences physiquesle document rapporte que les collecteurs de courant MXene fonctionnent aussi bien que les feuilles de cuivre utilisées dans les batteries lithium-ion actuelles, mais qu’ils sont trois à quatre fois plus fins et environ 10 fois plus légers.

Leur utilisation pour fabriquer les composants de la batterie réduirait la contribution globale au poids des matériaux inactifs, permettant ainsi d’utiliser davantage de matériaux stockant l’énergie sans augmenter le poids de la batterie, améliorant ainsi la capacité de la batterie.

Les chercheurs ont également démontré que les collecteurs de courant MXene peuvent être facilement recyclés pour être utilisés dans d’autres batteries, une étape importante vers la réduction des déchets de batteries et la conservation de ressources matérielles limitées.

Les collecteurs de courant sont essentiels aux performances de la batterie, car ils dirigent le flux d’électrons à l’intérieur de la batterie, les dirigeant vers et depuis l’électrode, qui traduit l’énergie chimique en courant électrique qui alimente les appareils électroniques. Ils contribuent également pour une large part au poids d’une batterie, représentant près de 15 % de son poids total.

“Les progrès récents dans la technologie des batteries sont centrés sur l’amélioration de la capacité tout en réduisant leur poids”, a déclaré Yury Gogotsi, Ph.D., université distinguée et professeur Bach au Drexel’s College of Engineering, qui a dirigé la recherche.

“Mais le domaine a également largement reconnu l’importance de trouver des alternatives recyclables aux composants de batteries actuels afin de garantir leur fabrication durable. Nos résultats suggèrent que les matériaux MXene pourraient être de bons candidats pour une utilisation dans les batteries du futur.”

Les MXènes ont été testés dans des dizaines d’applications, dont plusieurs dans le stockage d’énergie, depuis leur découverte à Drexel il y a plus de dix ans. Leur aptitude à être utilisé comme collecteur de courant est liée à leur conductivité électrique exceptionnelle, leur excellente flexibilité et leur haute résistance mécanique. Les mxènes restent également électrochimiquement stables dans les électrolytes acides et corrosifs et sont dispersables dans l’eau, ce qui permet un traitement facile.

“Il s’agit d’une découverte passionnante car les MXenes sont compatibles avec une variété de matériaux d’électrodes, ils ont donc le potentiel d’améliorer les batteries de nouvelle génération sans nécessiter de modifications structurelles significatives”, a déclaré le professeur Patrice Simon, Ph.D., co-auteur de la recherche de l’Université de Toulouse en France.

Le test final des composants a examiné la stabilité cyclique et la recyclabilité du collecteur de courant MXene. Après huit semaines de charge et de décharge continues, l’électrode MXène-graphite a conservé une bonne adhérence ; le matériau actif graphite est resté uniformément réparti et ne s’est pas détaché du film MXene.

Le collecteur de courant MXene a également conservé sa structure en couches, ne montrant aucune dégradation. Grâce à un processus de recyclage simple et respectueux de l’environnement développé par l’équipe, l’électrode a été démontée et reconstituée à l’aide de matériaux récupérés pour le collecteur de courant. Les tests électrochimiques ont confirmé que ses performances restaient inchangées.

“Alors que les matériaux de batterie deviennent de plus en plus rares et que la durabilité et l’économie circulaire deviennent de plus en plus importantes, il sera essentiel de concevoir des composants pouvant être réutilisés”, a déclaré Yuan Zhang, Ph.D., chercheur postdoctoral au laboratoire de Gogotsi et co-auteur de la recherche.

“Grâce à leur durabilité électrochimique exceptionnelle, les MXènes peuvent être recyclés sans perdre une grande partie de leurs propriétés exceptionnelles.”

L’enquête a été menée par Sokhna Dieng, Schlumberger Future Fellow du laboratoire de Gogotsi, qui a contribué aux travaux dans le cadre de ses recherches doctorales. Elle prévoit de continuer à explorer les MXènes en tant qu’additifs conducteurs et autres composants passifs dans les batteries qui peuvent améliorer les performances et également renforcer la sécurité en empêchant la croissance des dendrites.

“Nous envisageons que les batteries avec des composants MXene soient utilisées un jour dans la microélectronique portable et portable, où la taille et le poids sont absolument critiques et où la quantité de matériau requise est minime”, a déclaré Gogotsi.

“Une autre utilisation potentielle concerne les systèmes où un faible poids est essentiel, comme les drones ou autres véhicules volants.”