Stockage électrochimique de l'énergie: des MXenes de forte puissance

Publié par Adrien le 02/05/2020 à 09:00
Source: CNRS INC
Les MXenes sont des matériaux de deux dimensions utilisés en mille-feuille dans la conception d'électrodes pour le stockage de l'énergie. Ils s'obtiennent en enlevant les couches "A" d'un matériau précurseur "MAX", avec des produits aussi dangereux que l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) fluorhydrique. Pour rendre le procédé plus sûr et augmenter le choix des précurseurs, une équipe internationale concentrée autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) du Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) sur le stockage électrochimique de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (RS2E) est parvenue à remplacer les acides nécessaires par des sels fondus. Ces travaux, publiés dans Nature Materials, ont permis, en plus de synthétiser de nouveaux MXenes, d'obtenir des performances électrochimiques remarquables pour le stockage de l'énergie dans des électrolytes à base d'ions lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.).


Représentation des feuillets de MXènes obtenus par les chercheurs. © Qing Huang

Les MXenes sont des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 2D de choix pour les électrodes des supercondensateurs, car leur structure en feuillets offre une grande surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) accessible aux ions de l'électrolyte. Ils s'obtiennent en dissolvant partiellement des matériaux, appelés MAX, dans des solutions à base d'ions fluorures tels que l'acide fluorhydrique, qui est extrêmement toxique et dangereux à manipuler. De plus, cette méthode limite le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de précurseurs MAX utilisables et laisse en surface des MXenes des groupes fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des...) et hydroxyles, dont la réactivité est difficile à contrôler. Une équipe internationale, comprenant des membres du réseau du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) RS2E (1), a développé une nouvelle méthode de synthèse qui permet de s'affranchir des ions fluorure et hydroxyles.

Le système repose sur l'utilisation de sels fondus à 700 degrés, principalement du chlorure de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses...), bien moins nocifs que l'acide fluorhydrique, mais qui ont la même utilité. Ce procédé permet de préparer de nouveaux MXenes, mais aussi de contrôler la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) de surface de ces matériaux. Les chercheurs ont ainsi pu concevoir des électrodes en carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type CxXy.) de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) (Ti3C2) qui, comparées aux électrodes de batteries lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est...) classiques, présentent une capacité moindre (2), mais se chargent et déchargent beaucoup plus vite. Elles stockent moins d'énergie, mais la délivrent avec plus de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). L'équipe compte à présent obtenir davantage de nouveaux MXenes, avec l'espoir de trouver des matériaux encore plus performants.

Ces travaux ont réuni des chercheurs du Centre interuniversitaire de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des...) des matériaux (CIRIMAT, CNRS/Université Toulouse Paul Sabatier/Toulouse INP), du laboratoire Conditions extrêmes et matériaux: haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) et irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants :...) (CEMHTI, CNRS/Université d'Orléans), de l'académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus éminents, en tenant des séances au cours desquelles des travaux...) de Chine et des universités du Sichuan (Chine) et de Linköping (Suède).

Notes:
(1) Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (CNRS/Université Picardie Jules Verne/Université de Montpellier/Université Pau Pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui...) de l'Adour/Université Toulouse Paul Sabatier/Université Nantes/Aix-Marseille Université/Sorbonne université/Collège de France/Chimie ParisTech/Université Haute Alsace/Toulouse INP/ENSC Montpellier).
(2) 200 milliampères par heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris...) et par gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) contre 372.


Références:
Youbing Li, Hui Shao, Zifeng Lin, Jun Lu, Per O. A. Persson, Per Eklund, Lars Hultman, Mian Li, Ke Chen, Xian-Hu Zha, Shiyu Du, Patrick Rozier, Zhifang Chai, Encarnacion Raymundo-Piñero, Pierre-Louis Taberna, Patrice Simon, Qing Huang.
A general Lewis acidic etching route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) for preparing MXenes with enhanced electrochemical performance in non-aqueous electrolyte.
Nature Materials, 2020.
DOI: 10.1038/s41563-020-0657-0
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