Éléments clés à savoir :
- Faire progresser l’AIB Technologie: Les batteries aux ions ammonium (AIB) offrent une alternative plus sûre et plus respectueuse de l'environnement aux batteries traditionnelles, utilisant de l'acétate d'ammonium (NH4Ac) qui empêche la croissance dendritique et améliore la durée de vie de la batterie.
- Matériaux d'anodes innovants : Les développements récents dans les matériaux d'anode tels que les MXènes, explorés grâce aux calculs DFT, montrent des performances prometteuses à basse tension et une densité d'énergie élevée.
- Comportement pseudocapacitif : Les anodes MXene dans les AIB présentent un comportement pseudocapacitif unique avec le NH4Ac, atteignant une capacité et une stabilité élevées sur 5000 XNUMX cycles, un progrès significatif par rapport aux autres matériaux.
- Améliorations fondées sur la recherche : Des études comme celles de Sun et al. confirment les avantages de l’utilisation de l’acétate d’ammonium, améliorant la sécurité et l’efficacité globales des AIB.
Merci beaucoup architectures de batterie existent maintenant alors que les ingénieurs et les scientifiques tentent de s'adapter Batteries Li-ion pour essayer de proposer de nouveaux systèmes de batteries ayant des densités d’énergie élevées, capables de se charger plus rapidement ou plus respectueux de l’environnement. Ces dernières années, de nombreuses nouvelles architectures de batteries ont été commercialisées après des années de développement académique, et d’autres nouvelles batteries commencent à prendre leur place dans le monde universitaire.
L'une de ces batteries est la batterie ammonium-ion (AIB), qui utilise des électrolytes aqueux, elle est donc plus sûre et moins sujette à l'emballement thermique. Les AIB ont un faible coût, une stabilité inhérente, de bonnes propriétés électrochimiques et sont respectueux de l'environnement. Il s'agit d'un domaine de recherche sur les batteries plus récent que certains des systèmes les plus établis, et bien qu'il existe un potentiel de création de batteries plus respectueuses de l'environnement, les AIB ont été freinés par des défis liés à la conception des anodes.
Le potentiel des batteries à l’ammonium
Les AIB sont batteries rechargeables qui utilisent des ions ammonium (NH4+) comme porteurs de charge. Comparés aux ions métalliques traditionnels (Li+, Na+, K+, Zn2+ et Mg2+), les ions ammonium ont des caractéristiques de diffusion rapide dans les électrolytes aqueux (à base d'eau) en raison de leur rayon ionique plus petit et de leur masse molaire plus légère. Les ions ammonium ne subissent pas non plus de croissance dendritique, qui est souvent responsable du court-circuit de la batterie, contrairement à de nombreux batteries métal-ion, il est donc possible de créer des batteries plus sûres qui se dégradent plus lentement. Les électrolytes à ions ammonium sont également plus respectueux de l’environnement que les solvants organiques utilisés dans les batteries métal-ion et sont également beaucoup moins chers. L'un des électrolytes les plus courants est l'acétate d'ammonium (NH4Ac).
Pour souligner davantage les avantages environnementaux et la sécurité opérationnelle des AIB, des études récentes, telles que celles de Sun et al., mettent en évidence le rôle des électrolytes d'acétate d'ammonium (NH4Ac) dans l'amélioration de la stabilité et de la capacité de ces batteries. Contrairement aux électrolytes traditionnels, le NH4Ac aide à prévenir la formation de dendrites, qui constituent souvent un risque majeur pour la sécurité lors du fonctionnement des batteries. Cette caractéristique améliore non seulement la sécurité, mais prolonge également considérablement le cycle de vie de la batterie, faisant des AIB une option plus durable à long terme.
Toutes ces caractéristiques montrent qu'il existe un grand potentiel pour les AIB, d'autant plus que ces caractéristiques sont souvent considérées comme des avantages par rapport aux batteries métal-ion, qui sont devenues aujourd'hui la norme commerciale. De nombreux travaux ont été consacrés à la conception des cathodes des AIB, et des capacités spécifiques élevées peuvent désormais être atteintes. Les exemples de cathodes incluent des matériaux à base de nickel, de manganèse et de vanadium. Cependant, peu d’efforts ont été consacrés à la conception de l’anode, et l’interaction entre l’anode et l’électrolyte est un domaine qui doit encore être développé.
Développements dans les nouveaux matériaux d’anode
L'anode est actuellement le facteur limitant pour les AIB, car il n'existe à ce jour que peu de matériaux d'anode ayant une faible tension de fonctionnement. Le développement des anodes AIB a été principalement limité aux oxydes/sulfures de métaux de transition et aux polymères organiques. Ce ne sont pas des matériaux idéaux car les composés de métaux de transition ont tendance à avoir de faibles capacités et l'anode polymère a un taux de dissolution élevé, ce qui conduit à une mauvaise stabilité du cyclage. Cela a rendu de nombreux AIB développés à ce jour irréalisables pour des applications pratiques.
Malgré les défis matériels, de nouveaux matériaux continuent d'être proposés et testés. Une classe de matériaux qui a été présentée comme une solution potentielle est MXènes. Les MXènes sont des matériaux 2D créés à partir d'un matériau de phase MAX, dont la formule générale est Mn+1AXn. Dans cette structure chimique, le M est un métal de transition précoce, A est un élément du groupe 13 ou 14 et X est soit du carbone, soit de l'azote.
Les MXene possèdent une gamme de propriétés bénéfiques pour les électrodes. Par exemple, ils ont une excellente conductivité électrique et une activité de surface élevée, et la façon dont les couches s’empilent les unes sur les autres est souhaitable pour le stockage des ions, en particulier par rapport à d’autres types de nanomatériaux. Ainsi, les MXènes sont considérés comme un avantage potentiel pour les AIB, et de nombreux travaux théoriques sont actuellement en cours pour voir s'ils valent la peine d'être explorés plus en profondeur de manière expérimentale.
Le potentiel des MXènes en tant que matériaux d'anode efficaces dans les batteries à ions ammonium est étayé par des calculs détaillés de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Comme l'illustre la figure 1 ci-dessous, ces calculs révèlent le faible potentiel de travail et le comportement pseudocapacitif élevé des matériaux MXene, en particulier du V2CTx, ce qui suggère leur adéquation aux applications hautes performances dans la technologie des batteries.
a La perspective latérale du modèle structurel pour V2CTx MXene est représentée. Les sphères colorées en gris, noir et orange représentent respectivement les terminaisons V, C et T. avant JC Les courbes de potentiel électrostatique moyennées dans le plan pour V2CO2 et V2CF2 sont présentées respectivement. d La courbe de potentiel électrostatique moyennée dans le plan pour 1T-MoS2 est illustrée. e La corrélation entre la fonction de travail et la fenêtre de potentiel opérationnel des matériaux bidimensionnels étudiés dans cette recherche est démontrée.
En corroborant l'adéquation des MXenes pour les applications AIB, les recherches décrites dans Communications Nature par Sun et coll. discute des propriétés pseudocapacitives des MXènes V2CTx lorsqu'ils sont utilisés avec des électrolytes NH4Ac. Ces matériaux promettent non seulement des potentiels de fonctionnement plus faibles, mais démontrent également une stabilité et une densité énergétique améliorées, cruciales pour les batteries hautes performances. L'activité de surface élevée inhérente aux MXènes améliore leur efficacité, faisant ainsi progresser considérablement la fabrication d'anodes dans les technologies de batteries durables.
Les calculs DFT suggèrent le meilleur électrolyte aqueux pour les anodes MXene
La théorie fonctionnelle de la densité (TFD) est une technique bien établie dans le domaine de la théorie et de la chimie computationnelle et est souvent utilisé pour modéliser et sonder les propriétés de différents systèmes de matériaux afin de voir s'ils sont réalisables pour une application particulière (ainsi que pour en déduire leur structure). Les calculs DFT ont montré que le MXene, V2CTx, a la fenêtre de potentiel de fonctionnement la plus faible par rapport aux autres matériaux à base de vanadium, il a donc le potentiel d'être un matériau d'anode prometteur pour les AIB.
Les chercheurs ont maintenant étudié plus en détail cette anode MXene en utilisant une combinaison de calculs DFT et de méthodes de caractérisation physique des matériaux pour voir comment elle interagit avec l'électrolyte aqueux et pour étudier à quoi pourraient ressembler les performances de ces anodes. Les chercheurs ont découvert que cette anode MXene présente un comportement pseudocapacitif pour le stockage des ions ammonium, avec une capacité spécifique de 115.9 mAh g-1 à 1 A g-1 et une rétention de capacité de 100 % après 5000 5 cycles à 1 A g-XNUMX.
Malgré de nombreux électrolytes aqueux testés avec l'anode MXene, notamment (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 et NH4Me, le seul électrolyte pour lequel l'anode MXene a montré ce comportement pseudocapacitif était l'électrolyte à l'acétate d'ammonium NH4Ac. Les performances de comportement pseudocapacitif présentées entre l'anode MXene et l'électrolyte NH4Ac surpassent toutes les électrodes de type capacitif des AIB à ce jour.
Sonder les propriétés de l'anode et son interaction avec l'électrolyte, in situ Des mesures de microbalance électrochimique à cristal de quartz (EQCM) ont été prises et ont montré un processus électrochimique en deux étapes qui génère le comportement de stockage pseudocapacitif dans l'électrolyte d'acétate d'ammonium.
Les résultats expérimentaux ont été suivis de calculs et de simulations DFT pour mieux comprendre ce processus électrochimique. La première partie du processus impliquait l’adsorption/dépôt électrostatique de NH4+ sur la surface du MXène. Dans la deuxième étape du processus, une réaction redox a lieu entre les groupes d-V2CTx de l'anode et les groupes [NH4+(HAc)3] de l'électrolyte. Au cours de ce processus redox, l'ion central NH4+ agit comme un pseudo-proton, ce qui facilite l'alternance des terminaisons V2CTx. Cela modifie alors l’état de valence des ions vanadium dans le complexe, favorisant ainsi le transfert de charge.
L'utilisation innovante de l'acétate d'ammonium dans les AIB à base de MXène améliore non seulement la stabilité électrochimique, mais améliore également la capacité de stockage d'énergie, comme détaillé par Sun et al. Cette avancée est attribuée à l'interaction unique entre les ions NH4+ et l'électrolyte, qui facilite un transport efficace des ions et une stabilité de cycle robuste, jetant ainsi les bases de solutions de stockage d'énergie de nouvelle génération.
Les chercheurs ont également confirmé l’effet d’amélioration des ions acétate dans une batterie ammonium-ion à base de MoS2 (un autre matériau 2D de la famille des dichalcogénures de métaux de transition). La possibilité d’être utilisé avec différents matériaux signifie que l’électrolyte acétate pourrait être utilisé avec différents matériaux 2D pour améliorer la capacité des AIB. Cette approche a également le potentiel de briser les limitations de capacité à la fois faradiques (rédox) et non faradiques (interactions électrostatiques uniquement) et pourrait offrir un moyen d'améliorer différents AIB et conduire à la création de batteries plus durables.
Impact environnemental et considérations de sécurité des batteries à ions ammonium
Le passage aux batteries ammonium-ion (AIB) constitue non seulement une amélioration technique par rapport aux systèmes de batteries traditionnels, mais également un pas en avant significatif dans la préservation de l’environnement. Les AIB utilisent moins de matières dangereuses et impliquent des réactions chimiques plus sûres, ce qui réduit le risque d'accidents et diminue la pollution de l'environnement. Des études comme celles de Sun et al. dans Communications Nature ont montré que l'utilisation d'électrolytes plus sûrs comme l'acétate d'ammonium atténue considérablement les risques tels que l'emballement thermique et la lixiviation chimique, faisant des AIB un choix privilégié pour le stockage d'énergie durable.
Référence:
Sun Z. et al., Un électrolyte acétate pour une capacité pseudocapacitive améliorée dans les batteries à ions ammonium aqueux, Nature Communications, 15, (2024), 1934.