Premiers auteurs : Miao Cheng, Shaoqing Pan
Auteur correspondant : Bo Liu
Titre de l'article : « Nanoparticules bimétalliques Bi–Sn ancrées in situ dans une nanofibre de carbone comme anode autoportante flexible pour batteries à ions magnésium avancées »
Facteur d'impact : 13.4
Lien vers l'article : https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159626
01 Profil de l'instructeur
Le professeur Liu Bo est chercheur à l'École des sciences et du génie des matériaux de l'Université des sciences et technologies de Suzhou. Il est également chercheur associé à l'Institut de microsystèmes et de technologies de l'information de Shanghai (SIMIT), rattaché à l'Académie chinoise des sciences (CAS), et professeur invité à l'Université de technologie de Qilu. Ses recherches portent principalement sur les matériaux et dispositifs optoélectroniques à l'échelle nanométrique. Il a dirigé ou participé à plus de 60 projets de recherche, dont d'importantes initiatives nationales telles que le Programme national de recherche fondamentale de Chine (Programme 973). À ce jour, il a publié 317 articles dans des revues scientifiques (dont 230 indexés SCI) et est titulaire de 119 brevets d'invention chinois et de 5 brevets d'invention américains.
02 Contexte de la recherche
Avec l'essor des dispositifs électroniques flexibles, la recherche et le développement de systèmes de stockage d'énergie flexibles et performants sont devenus essentiels. Parmi ceux-ci, les batteries lithium-ion flexibles ont connu des progrès significatifs dans les applications pratiques liées à l'électronique flexible et aux dispositifs portables. Cependant, des obstacles persistent quant à leur développement et leur application, notamment le coût élevé associé aux ressources limitées en lithium et les risques liés à la formation incontrôlée de dendrites de lithium. Il est donc urgent de développer des systèmes de batteries alternatifs caractérisés par une abondance naturelle élevée, un faible coût et une sécurité accrue. Les batteries magnésium-ion rechargeables offrent un potentiel considérable en tant qu'alternative fiable aux systèmes au lithium, car le magnésium est abondant et peu coûteux, possède une capacité spécifique théorique élevée et un potentiel de réduction approprié, ne forme pas de dendrites lors des processus de dépôt/dissolution électrochimiques et offre une sécurité de fonctionnement élevée. Néanmoins, les recherches sur les matériaux d'électrodes flexibles pour les batteries magnésium-ion restent limitées. Ces dernières années, l'électrofilage s'est imposé comme l'une des techniques les plus pratiques, économiques et industriellement viables pour la fabrication de membranes poreuses 3D. Par conséquent, un nombre croissant de chercheurs s'intéressent à l'utilisation de composites à base de nanofibres électrofilées comme électrodes flexibles.
03 Points saillants de l'article / Résumé
Avec les progrès sans précédent de la technologie de l'électronique flexible, le développement de systèmes d'alimentation flexibles compatibles est devenu impératif. Les batteries magnésium-ion (MIB), système de batterie prometteur de nouvelle génération, présentent un immense potentiel en tant que sources d'énergie pour les dispositifs électroniques flexibles. Cependant, la recherche sur les batteries magnésium-ion flexibles n'en est qu'à ses débuts ; l'exploration d'électrodes flexibles nouvelles et fiables est donc cruciale. Dans ce travail, une électrode sans liant, flexible et autoportante a été fabriquée par électrofilage combiné à… in situ Procédé de réduction thermique. Cette électrode est constituée de nanoparticules bimétalliques Bi-Sn ancrées dans des nanofibres de carbone (CNF@Bi-Sn) et est appliquée pour la première fois aux batteries à ions magnésium. L'architecture CNF@Bi-Sn combine plusieurs avantages : une structure hiérarchique poreuse de nanofibres de carbone, des particules Bi-Sn nanométriques uniformément dispersées et une densité accrue de joints de grains. Ces caractéristiques contribuent collectivement à améliorer la stabilité structurale du matériau d'électrode flexible et à faciliter la cinétique de diffusion des ions Mg²⁺. L'anode en alliage CNF@Bi-Sn présente des performances électrochimiques exceptionnelles, avec une capacité spécifique initiale élevée de 738 mAh g⁻¹, une excellente capacité de charge/décharge rapide et une stabilité cyclique remarquable ; notamment, elle conserve une capacité réversible de 150 mAh g⁻¹ après 100 cycles à une densité de courant de 40 mA g⁻¹. Grâce à une analyse cinétique quantitative, ainsi que… ex situ Grâce aux caractérisations par MEB, MET et DRX, cette étude élucide l'évolution structurale du matériau d'électrode flexible au cours des cycles et révèle le mécanisme de stockage du magnésium sous-jacent, basé sur une réaction de conversion réversible d'alliage/désalliage en deux phases. De plus, un dispositif de cellule complète a été assemblé afin de démontrer le potentiel de cette électrode pour des applications pratiques. Cette recherche offre des perspectives inédites pour l'exploration et le développement d'anodes en alliage flexibles, autoportantes et à hautes performances.
04 | Analyse illustrée
I : Nanoparticules de Bi-Sn uniformément ancrées dans des nanofibres de carbone comme anode flexible et autoportante pour les batteries magnésium-ion
Un film flexible (CNF@Bi-Sn) chargé de nanoparticules bimétalliques Bi-Sn a été fabriqué par une méthode combinant électrofilage et réduction thermique in situ. Ce film présente une excellente flexibilité et résiste à diverses déformations (flexion, torsion, pliage, etc.). Lors de l'assemblage de la batterie, aucun collecteur de courant, agent conducteur ni liant n'a été utilisé. Les analyses MEB et MET révèlent que les nanoparticules Bi-Sn sont uniformément réparties dans les nanofibres de carbone.
II : CNF@Bi-Sn démontre une capacité réversible élevée, d’excellentes performances de charge/décharge et une bonne stabilité cyclique.
L'électrode CNF@Bi-Sn présente une capacité spécifique initiale élevée de 738 mAh g⁻¹. Après des cycles à différentes vitesses de charge/décharge, sa capacité spécifique de décharge retrouve une valeur de 214 mAh g⁻¹, démontrant ainsi ses excellentes performances en régime transitoire. De plus, même après 100 cycles à une densité de courant de 40 mA g⁻¹, elle conserve une capacité réversible élevée de 150 mAh g⁻¹.
III : Évolution structurale et mécanismes de stockage du magnésium révélés par caractérisation ex situ
L'évolution morphologique et structurale de CNF@Bi-Sn lors du processus de magnésiation/démagnésiation a été étudiée par des techniques de caractérisation ex situ, notamment la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie électronique en transmission (MET) et la diffraction des rayons X (DRX). L'analyse MET a démontré qu'après une décharge complète (insertion de Mg) et une charge (extraction de Mg), les nanoparticules de Bi-Sn au sein de l'électrode CNF@Bi-Sn restaient bien encapsulées et uniformément dispersées dans les nanofibres de carbone ; ceci a permis de limiter les variations de volume lors du processus d'alliage et d'éviter la perte de matériau actif. Les résultats EDS ont indiqué qu'à l'état déchargé, les éléments Bi, Sn et Mg étaient uniformément répartis dans la matrice de carbone ; de plus, la DRX ex situ a confirmé que le mécanisme de stockage du magnésium de l'électrode CNF@Bi-Sn repose sur une réaction de transformation réversible d'alliage/désalliage en deux phases.
05 Matériel utilisé dans cette étude
Le four tubulaire miniature utilisé lors des expériences menées par l'équipe du professeur Liu Bo a été fourni par Kemi Instruments. La société Anhui Kemi Instruments Co., Ltd. est également remerciée dans l'article ; nous tenons à exprimer notre sincère gratitude au professeur Liu pour avoir choisi et soutenu Kemi Instruments.
