Un super matériau pour les batteries et autres appareils de conversion d’énergie


les-batteries-et-autres-appareils-de.jpg" alt="Ein Supermaterial für Batterien und andere Energieumwandlungsgeräte" title="Vierschichtige Atomstruktur von α-KAg3Se2, un conducteur 2D superionique. Les couleurs des atomes correspondent aux couleurs du nom. Crédit : Mercouri Kanatzidis / Northwestern University et Argonne National Laboratory « largeur = » 800  » hauteur = » 450 « />

Structure atomique à quatre couches de -KAg3Se2, un conducteur 2D superionique. Les couleurs des atomes correspondent aux couleurs du nom. Crédit : Mercouri Kanatzidis / Northwestern University et Argonne National Laboratory

Une découverte imprévue pourrait conduire à des découvertes cruciales à l’avenir dans les batteries, les piles à combustible, les appareils qui convertissent la chaleur en électricité, etc.

Les scientifiques mènent généralement leurs recherches en sélectionnant soigneusement un problème de recherche, en élaborant un plan de solution approprié et en exécutant ce plan. Mais des découvertes imprévues peuvent se produire en cours de route.

Mercouri Kanatzidis, professeur à la Northwestern University avec une vocation conjointe au Laboratoire national d’Argonne du département américain de l’Énergie, était à la recherche d’un nouveau supraconducteur au comportement non conventionnel lorsqu’il a fait une découverte inattendue. C’était un qui n’avait que quatre atomes d’épaisseur et qui permettait d’étudier le mouvement des particules chargées en seulement deux dimensions. De telles études pourraient faire avancer l’invention de nouveaux matériaux pour une variété de dispositifs de d’énergie.

« Nos résultats d’analyse ont montré que les ions d’argent étaient fixés dans un très petit dans les deux dimensions de notre matériau avant cette transition, mais après cette transition, ils ont vacillé », explique Mercouri Kanatzidis, un rendez-vous conjoint avec Argonne et Northwestern University

Le matériau cible de Kanatzidis était une combinaison d’argent, de potassium et de sélénium (α-KAg3Se2) dans une structure à quatre couches comme un gâteau de mariage. Ces matériaux 2D ont une longueur et une largeur mais presque aucune épaisseur avec seulement quatre atomes de haut.

Les matériaux supraconducteurs perdent toute résistance au mouvement des électrons lorsqu’ils sont refroidis à des températures très basses. « À ma grande déception, ce matériau n’était pas du tout un supraconducteur, et nous ne pouvions pas en faire un », a déclaré Kanatzidis, scientifique principal à la Division des sciences des matériaux (MSD) de l’Argonne. « Mais à ma grande surprise, cela s’est avéré être un exemple fantastique de conducteur superionique. »

Dans les conducteurs supraioniques, les ions chargés se déplacent aussi librement dans un matériau solide que dans les électrolytes liquides des batteries. Le résultat est un solide avec une conductivité ionique inhabituellement élevée, une mesure de sa capacité à conduire l’électricité. Cette conductivité ionique élevée s’accompagne d’une faible conductivité thermique, ce qui signifie que la chaleur n’est pas facilement transmise. Ces deux propriétés font des conducteurs superioniques des supermatériaux pour les dispositifs de stockage d’énergie et de conversion d’énergie.

Le premier indice pour l’équipe qu’ils ont découvert un matériau avec des propriétés spéciales était quand ils l’ont chauffé entre 450 et 600 degrés Fahrenheit. Il s’est transformé en une structure en couches plus symétrique. L’équipe a également constaté que cette transition était réversible lorsque la était abaissée puis remontée dans la zone de température élevée.

« Nos résultats d’analyse ont montré que les ions d’argent étaient fixés dans un très petit espace dans les deux dimensions de notre matériau avant cette transition », a déclaré Kanatzidis. « Mais après cette transition, ils ont oscillé. » Alors que l’on sait beaucoup de choses sur la façon dont les ions se déplacent dans les trois dimensions, on en sait très peu sur la façon dont ils se déplacent dans seulement deux dimensions.

Depuis quelques temps, les scientifiques recherchent un matériau exemplaire pour étudier le mouvement des ions dans les matériaux 2D. Ce matériau stratifié potassium-argent-sélénium semble en être un. L’équipe a mesuré la diffusion des ions dans ce solide et a constaté que cela correspond à celui d’un électrolyte d’eau très salée, l’un des conducteurs d’ions les plus rapides connus.

Bien qu’il soit trop tôt pour dire si ce matériau superionique particulier pourrait trouver une application pratique, il pourrait immédiatement servir de plate-forme critique pour le développement d’autres matériaux 2D à haute conductivité ionique et à faible conductivité thermique.

« Ces propriétés sont très importantes pour ceux qui développent de nouveaux électrolytes solides bidimensionnels pour les batteries et les piles à combustible », a déclaré Duck Young Chung, scientifique senior en matériaux chez MSD.

Les études avec ce matériau superionique pourraient également être cruciales dans le développement de nouveaux thermoélectriques qui convertissent la chaleur en électricité dans les centrales électriques, les processus industriels et même les gaz d’échappement des voitures. Et de telles études pourraient être utilisées pour concevoir des membranes pour la purification environnementale et le dessalement de l’eau.

Cette recherche est apparue dans un Matériaux naturels.


Un nouveau matériau offre une solution écologique pour convertir la chaleur résiduelle en énergie


Plus d’information:
Alexander JE Rettie et al., un conducteur superionique bidimensionnel de type I, Matériaux naturels (2021). DOI : 10.1038 / s41563-021-01053-9

Fourni par le Laboratoire National d’Argonne

Citation: Un super matériau pour batteries et autres dispositifs de conversion d’énergie (2021, 14 septembre), consulté le 14 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-super-material-applicable-batteries-energy.html

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