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À mesure que l’industrie des véhicules électriques (VE) se développe, la recherche et le développement des batteries lithium-ion de haute qualité qui les alimentent se développent également.La recherche et l'expansion des technologies de charge et de décharge rapides, ainsi que l'allongement de la durée de vie des batteries, sont des tâches clés de son développement.
Plusieurs facteurs, tels que les caractéristiques de l'interface électrode-électrolyte, la diffusion des ions lithium et la porosité de l'électrode, peuvent aider à surmonter ces problèmes et à obtenir une charge rapide et une durée de vie prolongée.
Au cours des dernières années, les nanomatériaux bidimensionnels (2D) (structures en feuilles de quelques nanomètres d’épaisseur) sont apparus comme matériaux d’anode potentiels pour les batteries lithium-ion.Ces nanofeuilles ont une densité de sites actifs élevée et un rapport d'aspect élevé, qui contribuent à une charge rapide et à d'excellentes caractéristiques de cyclage.
En particulier, les nanomatériaux bidimensionnels à base de diborures de métaux de transition (TDM) ont attiré l'attention de la communauté scientifique.Grâce aux plans en nid d'abeilles des atomes de bore et des métaux de transition multivalents, les TMD présentent une vitesse élevée et une stabilité à long terme des cycles de stockage des ions lithium.
Actuellement, une équipe de recherche dirigée par le professeur Noriyoshi Matsumi de l'Institut avancé des sciences et technologies du Japon (JAIST) et le professeur Kabir Jasuja de l'Institut indien de technologie (IIT) de Gandhinagar travaille à explorer davantage la faisabilité du stockage TMD.
Le groupe a mené la première étude pilote sur le stockage de nanofeuilles hiérarchiques (THNS) de diborure de titane (TiB2) comme matériaux d'anode pour les batteries lithium-ion.L'équipe comprenait Rajashekar Badam, ancien maître de conférences du JAIST, Koichi Higashimin, expert technique du JAIST, Akash Varma, ancien étudiant diplômé du JAIST, et le Dr Asha Lisa James, étudiante de l'IIT Gandhinagar.
Les détails de leurs recherches ont été publiés dans ACS Applied Nano Materials et seront disponibles en ligne le 19 septembre 2022.
Le TGNS a été obtenu par oxydation de poudre de TiB2 avec du peroxyde d'hydrogène suivie d'une centrifugation et d'une lyophilisation de la solution.
Ce qui distingue nos travaux, c'est l'évolutivité des méthodes développées pour synthétiser ces nanofeuillets de TiB2.Pour transformer n’importe quel nanomatériau en une technologie tangible, l’évolutivité est le facteur limitant.Notre méthode de synthèse ne nécessite qu’une agitation et ne nécessite pas d’équipement sophistiqué.Cela est dû au comportement de dissolution et de recristallisation du TiB2, qui est une découverte accidentelle qui fait de ce travail un pont prometteur entre le laboratoire et le terrain.
Par la suite, les chercheurs ont conçu une demi-cellule anodique lithium-ion utilisant le THNS comme matériau actif d’anode et ont étudié les propriétés de stockage de charge de l’anode à base de THNS.
Les chercheurs ont appris que l’anode à base de THNS possède une capacité de décharge élevée de 380 mAh/g à une densité de courant de seulement 0,025 A/g.De plus, ils ont observé une capacité de décharge de 174 mAh/g à une densité de courant élevée de 1 A/g, une rétention de capacité de 89,7 % et un temps de charge de 10 minutes après 1 000 cycles.
De plus, les anodes lithium-ion à base de THNS peuvent résister à des courants très élevés, d'environ 15 à 20 A/g, permettant une charge ultra-rapide en 9 à 14 secondes environ.À des courants élevés, la rétention de capacité dépasse 80 % après 10 000 cycles.
Les résultats de cette étude montrent que les nanofeuilles 2D TiB2 sont des candidats appropriés pour la charge rapide des batteries lithium-ion longue durée.Ils mettent également en évidence les avantages des matériaux en vrac à l’échelle nanométrique tels que le TiB2 pour leurs propriétés favorables, notamment une excellente capacité à haute vitesse, un stockage de charge pseudocapacitif et d’excellentes performances de cyclage.
Cette technologie de recharge rapide peut accélérer la popularisation des véhicules électriques et réduire considérablement le temps d’attente pour recharger divers appareils électroniques mobiles.Nous espérons que nos résultats inspireront de nouvelles recherches dans ce domaine, qui pourront à terme apporter du confort aux utilisateurs de véhicules électriques, réduire la pollution de l'air urbain et atténuer le stress associé à la vie mobile, augmentant ainsi la productivité de notre société.
L’équipe s’attend à ce que cette technologie remarquable soit bientôt utilisée dans les véhicules électriques et autres appareils électroniques.
Varma, A., et coll.(2022) Nanofeuilles hiérarchiques à base de diborure de titane comme matériaux d'anode pour les batteries lithium-ion.Nanomatériaux appliqués ACS.est ce que je.org/10.1021/acsanm.2c03054.
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