Des scientifiques de l’Université Drexel aux États-Unis affirment avoir créé un nouveau matériau bidimensionnel hautement conducteur appelé MXene, qui permettrait de réaliser des batteries se rechargeant bien plus rapidement qu’auparavant.

Les scientifiques estiment que cette nouvelle technologie pourrait non seulement être utilisée pour recharger des téléphones, mais qu’elle pourrait également répondre à l’un des principaux problèmes dans le marché des véhicules électriques, soit le temps de recharge de ces derniers, qui serait fortement réduit grâce à la nouvelle électrode.

Des recherches antérieures se sont déjà penchées sur l’utilisation de supercondensateurs en tant que dispositifs de stockage d’énergie pour des appareils électroniques portables. En effet, dans le domaine des technologies de stockage et de conversion électrochimique de l’énergie, les supercondensateurs peuvent êtres méconnus du grand public, face aux batteries, bien plus couramment utilisées dans notre vie quotidienne.

Il faut savoir que les supercondensateurs stockent moins d’énergie que les batteries, mais peuvent se décharger ou se recharger bien plus rapidement. Ces derniers libèrent de l’énergie en grandes rafales et possèdent un potentiel incroyable en ce qui concerne l’alimentation de nos technologies actuelles.

À présent, une équipe de l’Université de Drexel aux États-Unis, a combiné les propriétés d’un supercondensateur avec celle des batteries traditionnelles qui possèdent de grandes capacités de stockage, en utilisant un matériau appelé MXene, dans le but d’augmenter ses capacités.

« Cette recherche réfute le dogme largement accepté selon lequel le stockage de charge chimique, utilisé dans les piles, est toujours beaucoup plus lent que le stockage physique utilisé dans les condensateurs électriques à double couche, également appelés supercondensateurs », explique le chercheur principal de l’étude, Yury Gogotsi du Drexel’s College of Engeneering.

« Nous démontrons la charge des électrodes MXene fines, en dizaines de millisecondes. Cela est possible grâce à la conductivité électrique très élevée du MXene, et ouvre la voie au développement de périphériques de stockage d’énergie ultra-performants pouvant être rechargés et déchargés en quelques secondes, mais qui stockent beaucoup plus d’énergie que les supercondensateurs classiques », ajoute-t-il.

Le MXene est un nanomatériau plat composé d’oxyde, de carbone et de métaux conducteurs. Les différentes couches de MXene sont ensuite accumulées les unes sur les autres.

Alors que le MXene possède une excellente conductivité, la structure (superposée) des différentes couches crée une barrière difficilement surmontable pour les ions (les supports chimiques de la charge), qui peinent alors à se diffuser à travers la batterie. Pour qu’une batterie stocke la charge, les ions sont conservés dans des ports appelés « sites à action redox ».

Plus il y a de ports et plus la batterie pourra stocker d’énergie. Mais surtout, la batterie doit également permettre aux ions de se déplacer librement, sinon ces derniers ne peuvent pas atteindre les ports.

C’est en travaillant avec les professeurs Patrice Simon et Zifeng Lin de l’Université Paul Sabatier en France, que l’équipe a pu améliorer les performances du matériau (afin de permettre cette libre circulation des ions dans le MXene), grâce au développement d’une électrode d’hydrogel possédant une plus grande performance volumétrique : une mesure importante de la capacité de stockage d’énergie de la batterie.

Les scientifiques ont donc modifié la structure du MXene en le combinant à cet hydrogel, transformant de ce fait les couches de MXene en une structure plus adaptée, qui permet aux ions de circuler librement.

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Crédits : Drexel University

« Dans les batteries et les supercondensateurs traditionnels, les ions ont un chemin tortueux vers les ports de stockage de charge, ce qui non seulement ralentit le processus, mais crée également une situation où très peu d’ions atteignent effectivement leur destination à des taux de charge rapides », explique un membre de l’équipe, Maria Lukatskaya.

« L’architecture d’électrode idéale serait quelque chose qui permette aux ions de se déplacer vers les ports via des sortes « d’autoroutes » à grande vitesse, au lieu de routes à une seule voie. Notre conception d’électrode macroporique atteint cet objectif, ce qui permet une charge rapide de l’ordre de quelques secondes », a-t-elle ajouté.

Le principal avantage du MXene est sa grande conductivité, qui équivaut à celle de métaux tels que le cuivre ou l’aluminium.

Il est important de souligner, bien que cette nouvelle technologie semble tout à fait prometteuse, qu’il reste encore un point à éclaircir : soit, comment mettre cette technologie à l’échelle afin de créer une batterie qui puisse permettre une recharge des véhicules à de telles vitesses.

Actuellement, même Tesla qui possède le plus grand réseau de charge à haute puissance au monde, nécessite au minimum 30 minutes de recharge pour les batteries de ses véhicules. Mais il ne fait aucun doute que si cette recherche finit par être exploitable pour la conception de nouvelles batteries destinées aux voitures et aux téléphones, alors la manière dont nous utilisons ces technologies portables sera changée à jamais.

« Si nous commençons à utiliser des matériaux à faible dimension et très bons conducteurs comme électrodes de batterie, nous pourrons faire fonctionner les batteries beaucoup, beaucoup plus efficacement qu’aujourd’hui », a expliqué Gogotsi. « Finalement, le développement de ces technologies nous amènera au développement de batteries de voitures, d’ordinateurs portables et de téléphones cellulaires, capables de se recharger à des vitesses bien plus élevées, des secondes ou des minutes, plutôt que des heures », a-t-il ajouté.

Sources : Nature Energy, Drexel University

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