Les électrodes à nanotubes creux améliorent les performances des batteries potassium-ion

02.11.2023

Les chercheurs qui s'efforcent de trouver des alternatives aux batteries lithium-ion se sont intéressés aux batteries potassium-ion. Le potassium est une ressource abondante et la technologie fonctionne à peu près de la même manière que les batteries lithium-ion, mais ces batteries n'ont pas été développées à grande échelle parce que le rayon ionique pose des problèmes de stockage de l'énergie et de performances électrochimiques insuffisantes.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs utilisent le NiCo2Se4, un séléniure bimétallique, pour créer des électrodes en forme de sphère. Les sphères sont construites avec desnanotubes de NiCo2Se4, qui améliorent la réactivité électrochimique pour un transfert et un stockage plus rapides des ions potassium.

"Les séléniures bimétalliques combinent les caractéristiques d'amélioration de deux métaux, qui agissent en synergie en présentant de riches sites de réaction redox et des activités électrochimiques élevées. Un séléniure bimétallique, NiCo2Se4, a déjà été étudié pour le stockage du sodium, les supercondensateurs et les électrocatalyseurs et présente un potentiel considérable pour le stockage des ions potassium. En synthétisant le NiCo2Se4à l'aide d'un processus hydrothermal en deux étapes, une structure de nanotube avec des grappes en forme de fleur se développe, créant des canaux pratiques pour le transfert d'ions/électrons de potassium", a déclaré Mingyue Wang, chercheur au centre de recherche en ingénierie des matériaux et dispositifs de stockage d'énergie de l'université Jiaotong de Xi'an, en Chine.

Dans un premier temps, des sphères précurseurs de Ni-Co avec des nano-aiguilles solides sont préparées. Ces sphères ont une structure cristalline bien définie qui est ensuite exposée au sélénium au cours d'un processus appelé sélénisation. Ce processus introduit du sélénium dans le précurseur Ni-Co, développant ainsi l'enveloppe de nanotubes NiCo2Se4. Les tubes creux se forment grâce à un phénomène appelé effet Kirkendall, qui se produit lorsque deux métaux se déplacent en raison de la différence entre les vitesses de diffusion de leurs atomes. Ces nanotubes ont une largeur d'environ 35 nanomètres, ce qui laisse suffisamment d'espace pour le transfert des ions potassium et des électrons.

Grâce à une série de tests et d'analyses, les chercheurs ont pu confirmer la capacité des anodes NiCo2Se4 à déplacer et à stocker les ions potassium et les électrons. Ils ont constaté que le NiCo2Se4 possède plus de sites actifs que les autres matériaux d'électrodes, que les éléments sont uniformément répartis et qu'il est plus performant que les autres électrodes testées au cours de la recherche.

"L'électrode ànanotubes NiCo2Se4a présenté une bien meilleure performance électrochimique en termes de stabilité cyclique et de capacité de vitesse que les autres électrodes testées, y compris Ni3Se4et Co3Se4. Cela est dû à la structure unique des nanotubes de NiCo2Se4et à la synergie offerte par la coprésence de deux métaux", a déclaré M. Wang. Ces homologues monométalliques, Ni3Se4 et Co3Se4, n'ont pas connu le même succès que le bimétallique NiCo2Se4, simplement en raison de la manière dont les deux métaux (Ni et Co) interagissent ensemble. NiCo2Se4avaitégalement une capacité plus élevée, ce qui est très utile pour maintenir la stabilité cyclique et les performances à haut débit.

"Ce travail offre de nouvelles perspectives dans la conception de séléniures métalliques binaires micro/nano-structurés en tant qu'anodes pour les batteries potassium-ion avec des performances extraordinaires de stockage d'ions potassium", a déclaré Wang.

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