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

Résultats scientifiques

Les MXenes sont des matériaux 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 fluorhydrique. Pour rendre le procédé plus sûr et augmenter le choix des précurseurs, une équipe internationale concentrée autour du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (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.

Les MXenes sont des matériaux 2D de choix pour les électrodes des supercondensateurs, car leur structure en feuillets offre une grande surface 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 de précurseurs MAX utilisables et laisse en surface des MXenes des groupes fluor et hydroxyles, dont la réactivité est difficile à contrôler. Une équipe internationale, comprenant des membres du réseau du CNRS 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, 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 de surface de ces matériaux. Les chercheurs ont ainsi pu concevoir des électrodes en carbure de titane (Ti3C2) qui, comparées aux électrodes de batteries lithium-ion 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. 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 et d’ingénierie des matériaux (CIRIMAT, CNRS/Université Toulouse Paul Sabatier/Toulouse INP), du laboratoire Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (CEMHTI, CNRS/Université d’Orléans), de l’académie des sciences de Chine et des universités du Sichuan (Chine) et de Linköping (Suède).

 

[1] Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (CNRS/Université Picardie Jules Verne/Université de Montpellier/Université Pau Pays 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).

[1] 200 milliampères par heure et par gramme contre 372.
Représentation des feuillets de MXènes obtenus par les chercheurs. © Qing Huang

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 for preparing MXenes with enhanced electrochemical performance in non-aqueous electrolyte. Nature Materials, 2020.

DOI : 10.1038/s41563-020-0657-0

Contact

Patrice Simon
Centre interuniversitaire de recherche et d'ingéniérie des matériaux (CIRIMAT)
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS