La clé est MXene, un matériau bidimensionnel composé de deux parties: un hydrogel (un gel avec un composant liquide à base d'eau) et un oxyde métallique. Sa structure est suffisamment dense pour protéger contre les radiations et filtrer l’eau, comme l’a démontré l’équipe de recherche de Drexel. en 2011. Mais il est également très conducteur, ce qui en fait un bon candidat pour membranes de batterie.
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C’est grâce à la composition chimique de MXene, qui optimise le flux de électrodes — les endroits où l'énergie est stockée dans les batteries pour être rechargée — à travers elle. Les piles tiennent
ions dans des ports appelés « sites actifs redox » pour maintenir une charge, et le nombre de ports qu'une batterie contient est directement proportionnel à la quantité de charge qu'elle peut contenir.
Contrairement aux membranes de batterie d'aujourd'hui, qui ont des chemins limités pour que les ions atteignent les ports, MXene crée plusieurs chemins pour que les ions puissent voyager. Et la conductivité naturellement élevée du MXene aide à déplacer les ions rapidement, augmentant ainsi le taux de recharge effectif.
« Dans les batteries traditionnelles, […] les ions suivent un chemin tortueux vers les ports de stockage de charge, ce qui non seulement ralentit tout, mais également crée une situation dans laquelle très peu d’ions atteignent réellement leur destination à des taux de charge rapides », Maria Lukatskaya, chercheuse sur le équipe, dit. « L’architecture d’électrode idéale serait quelque chose comme des ions se déplaçant vers les ports via des « autoroutes » à plusieurs voies et à grande vitesse, au lieu d’emprunter des routes à voie unique. Notre conception d’électrode macroporeuse atteint cet objectif, qui permet une charge rapide – de l’ordre de quelques secondes ou moins.
Le résultat final pourrait être une batterie qui ne prend que « quelques dizaines de millisecondes » pour se recharger complètement au lieu de quelques minutes ou heures. Yuri Gogotsi, professeur de science et d'ingénierie des matériaux, a déclaré que l'application de MXene dans le monde réel pourrait conduire à de meilleurs résultats. batteries d'ordinateurs portables et Voiture électrique batteries. "Si nous commençons à utiliser des matériaux de faible dimension et électroniquement conducteurs comme électrodes de batterie, nous pourrons faire fonctionner les batteries beaucoup plus rapidement qu'aujourd'hui", a-t-il déclaré. « À terme, l’appréciation de ce fait nous mènera à des batteries de voitures, d’ordinateurs portables et de téléphones portables capables de se charger à des vitesses beaucoup plus élevées – en secondes ou en minutes plutôt qu’en heures. »
Mxene n’est pas encore commercialement viable – Gogotsi estime qu’il lui faudra au moins trois ans avant de se frayer un chemin vers des produits fabriqués en série comme batteries de téléphones portables. Mais l’équipe s’engage à explorer de nouvelles applications à court terme.
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