Une équipe du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) a pour la première fois fabriqué un nanomatériau composé de nanoparticules d'un composé d'oxyde de titane (Ti4O7) qui se caractérise par une surface extrêmement importante, et l'a testé comme matériau de cathode dans des batteries lithium-soufre. Le nanomatériau hautement poreux possède une capacité de stockage élevée qui reste presque constante sur de nombreux cycles de charge.

Maintenant, Les batteries au lithium sont l'une des meilleures solutions pour stocker de l'énergie électrique dans un petit espace. Les ions lithium de ces batteries migrent de l'anode vers le pôle électrique opposé, la cathode, pendant le cycle de décharge. L'anode et la cathode sont généralement constituées de composés de métaux lourds coûteux et toxiques.

Une alternative intéressante est la batterie lithium-soufre. Dans ce cas, la cathode n'est pas constituée de métaux lourds, mais au lieu de soufre, un matériau économique et largement disponible. Comme les ions lithium migrent vers la cathode pendant le cycle de décharge, une réaction s'y déroule qui forme du sulfure de lithium (Li2S) via divers polysulfures de lithium intermédiaires. Pendant le cyclisme, la dissolution des polysulfures de lithium entraîne une diminution de la capacité de la batterie au cours de plusieurs cycles de charge via ce que l'on appelle "l'effet navette". Pour cette raison, des chercheurs du monde entier travaillent à l'amélioration des matériaux cathodiques capables de confiner ou d'encapsuler chimiquement ou physiquement les polysulfures, comme avec des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO 2 ), par exemple.

Ti4O7-nanoparticules avec structure de pores interconnectés

L'équipe HZB dirigée par le professeur Yan Lu a maintenant fabriqué un matériau de cathode encore plus efficace. Ici aussi, les nanoparticules assurent le confinement du soufre. Cependant, ils ne sont pas constitués de dioxyde de titane, mais au lieu de Ti 4 O 7 molécules disposées sur une surface sphérique poreuse. Ces nanoparticules poreuses lient les polysulfures sensiblement plus fortement que le TiO habituel 2 nanoparticules.

"Nous avons développé un procédé de fabrication spécial pour générer ce complexe, structure de pores interconnectés en trois dimensions", explique Yan Lu. Yan Lu fabrique d'abord un gabarit constitué d'une matrice de minuscules sphères polymères aux surfaces poreuses. Ce modèle est préparé en étapes supplémentaires, puis immergé dans une solution d'isopropoxyde de titane. Une couche de Ti 4 O 7 se forme sur les sphères poreuses et reste après traitement thermique, qui décompose le polymère sous-jacent. Par rapport à d'autres matériaux cathodiques en oxydes de titane, le Ti 4 O 7 la matrice de nanosphères possède une surface extrêmement grande. 12 grammes de ce matériau couvriraient un terrain de football.

Fonction décodée chez BESSY II

Les mesures de spectroscopie aux rayons X (XPS) de l'expérience CISSY de BESSY II montrent que les composés soufrés se lient fortement à la surface de la nanomatrice.

Capacité spécifique élevée

Cela explique également la capacité spécifique élevée par gramme (1219 mAh) à 0,1 C (1 C =1675 mA g ^-1 ). La capacité spécifique diminue également très peu au cours des cycles de charge/décharge répétés (0,094% par cycle). Par comparaison, la capacité spécifique des matériaux cathodiques constitués de nanoparticules de TiO2 est de 683 mAh/g. Pour augmenter la conductivité de ce matériau, il est possible d'appliquer un revêtement supplémentaire de carbone sur les nanoparticules. La structure très poreuse reste intacte après ce processus.

La montée en gamme est faisable

« Nous travaillons depuis plus d'un an pour améliorer la répétabilité de cette synthèse. Maintenant, nous savons comment le faire. Ensuite, nous allons travailler sur la fabrication du matériau en couche mince", dit Yan Lu. Et le meilleur :dans ce cas, ce qui a réussi en laboratoire peut également être transféré à la fabrication commerciale. C'est parce que tous les processus, de la chimie des colloïdes à la technologie des couches minces, sont évolutifs.