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MXene/électrolyte, le duo stratégique pour améliorer les pseudocondensateurs

MXene/électrolyte, le duo stratégique pour améliorer les pseudocondensateurs

Une équipe internationale de chercheurs, dont certains membres du RS2E, montre qu’en changeant simplement l’électrolyte d’un système pseudocapacitif les performances d’une électrode Mxene Ti3C2 sont drastiquement accrues en milieu non-aqueux.   

Batteries et supercondensateurs sont deux systèmes de stockage de l’énergie aux propriétés complémentaires : Les premiers offrent des densités d’énergie élevées tandis que les seconds sont capables de se charger et de se décharger à grande vitesse. Les premiers ouvrent la voie à des applications d’autonomie tandis que les seconds à des applications de puissance.

Un enjeu important est, aujourd’hui, d’augmenter la densité d’énergie des supercondensateurs pour élargir leur domaine d’applications. Pour ce faire, les chercheurs remplacent les électrodes de carbone des supercondensateurs par des matériaux pseudocapacitifs. Dans ce cas, le stockage des charges se fait par réactions redox rapides, confinées à la surface des électrodes. En comparaison, dans les batteries, la charge/décharge se fait par insertion/désinsertion des porteurs de charge dans les électrodes.

Si les premiers travaux des chercheurs dans le domaine des matériaux pseudocapacitifs se sont focalisés sur les oxydes (RuO2 et MnO2), les carbures métalliques 2D (MXenes) ont rapidement été identifiés comme offrant de nouvelles perspectives en tant que matériaux d’électrode. Vous pouvez retrouver ces conclusions dans un article publié dans Nature Energy et décrypté sur notre site.

Photographie 1 : Film MXene d’épaisseur 5 microns, pris par microscope électronique à balayage

Changement de perspective

Récemment, une nouvelle équipe, dont certains membres ont déjà participé au précédent article de Nature Energy, a montré qu’en changeant simplement l’électrolyte du système pseudocapacitif elle améliore considérablement les performances des électrodes Mxenes Ti3C2. En glissant de l’étude seule de l’électrode à l’étude de l’électrolyte, les scientifiques mettent en évidence, dans un nouveau papier publié dans Nature Energy, la pertinence d’étudier tous les aspects d’un système électrochimique pour son développement.

Le défi pour les MXenes était de dupliquer leurs performances remarquables en les associant à des électrolytes non aqueux, qui offrent des tensions de cellules plus élevées que les électrolytes aqueux, et donc des densités d’énergie beaucoup plus importantes.

Les chercheurs ont étudié trois combinaisons différentes d’électrolytes organiques en utilisant comme sel du LiTFSI mélangé, soit avec du propylène carbonate (PC) soit avec du dimethyl sulfoxide (DMSO) soit avec de l’acétonitrile (ACN).

Figure 1 : Influence des différents solvants sur l’insertion pseudocapacitif des ions Li

Contre toute attente, l’ACN n’est pas le meilleur électrolyte. Si avec sa haute conductivité ionique, l’ACN serait le meilleur choix pour un supercondensateur conventionnel, le PC s’impose pour le pseudocondensateur basé sur le MXene Ti3C2.

La raison : Le PC permet une désolvatation complète des ions Li dans l’électrolyte et améliore de fait leur intercalation pseudocapacitif dans l’électrode MXene.

L’étude couplée électrode/électrolyte se révèle payante et ouvre la voie à une nouvelle manière de concevoir des systèmes pseudocapacitif complets et performants.

 

Références :

Influences from solvents on charge storage in titanium carbide MXenes

Xuehang Wang, Tyler S. Mathis, Ke Li, Zifeng Lin, Lukas Vlcek, Takeshi Torita, Naresh C. Osti, Christine Hatter, Patrick Urbankowski, Asia Sarycheva, Madhusudan Tyagi, Eugene Mamontov, Patrice Simon, Yury Gogotsi

Nature Energy, 04/03/2019, DOI : 10.1038/s41560-019-0339-9

 

Contact : Yury Gogotsi, gogotsi@drexel.edu