Fin juillet 2008, un avion solaire britannique a établi un record officieux d'endurance de vol en restant en l'air pendant plus de trois jours d'affilée. Les batteries lithium-soufre sont apparues comme l'une des grandes avancées technologiques qui ont permis le vol - propulsant l'avion pendant la nuit avec une efficacité inégalée par les meilleures batteries de l'époque. Dix ans après, le monde attend toujours l'arrivée commerciale des batteries "Li-S". Mais une percée réalisée par des chercheurs de l'Université Drexel vient de supprimer un obstacle important qui bloquait leur viabilité.

Les entreprises technologiques savent depuis un certain temps que l'évolution de leurs produits, qu'il s'agisse d'ordinateurs portables, téléphones portables ou voitures électriques, dépend de l'amélioration constante des batteries. La technologie n'est "mobile" que tant que la batterie le permet, et les batteries lithium-ion, considérées comme les meilleures du marché, atteignent leur limite d'amélioration.

Avec les performances de la batterie approchant un plateau, les entreprises essaient de mettre le dernier volt dans, et hors de, les dispositifs de stockage en réduisant la taille de certains des composants internes qui ne contribuent pas au stockage d'énergie. Certains effets secondaires malheureux de ces changements structurels sont les dysfonctionnements et les effondrements qui se sont produits dans un certain nombre de tablettes Samsung en 2016.

Les chercheurs et l'industrie technologique envisagent les batteries Li-S pour éventuellement remplacer le Li-ion, car cette nouvelle chimie permet théoriquement de stocker plus d'énergie dans une seule batterie, une mesure appelée "densité d'énergie" dans la recherche et le développement des batteries. Cette capacité améliorée, de l'ordre de 5 à 10 fois celui des batteries Li-ion, équivaut à un temps de fonctionnement plus long pour les batteries entre les charges.

Le problème est, Les batteries Li-S n'ont pas été en mesure de maintenir leur capacité supérieure après les premières recharges. Il s'avère que le soufre, qui est l'ingrédient clé pour une meilleure densité énergétique, migre hors de l'électrode sous forme de produits intermédiaires appelés polysulfures, entraînant la perte de cet ingrédient clé et la dégradation des performances lors des recharges.

Pendant des années, les scientifiques ont essayé de stabiliser la réaction à l'intérieur de la batterie Li-S pour contenir physiquement ces polysulfures, mais la plupart des tentatives ont créé d'autres complications, comme l'ajout de poids ou de matériaux coûteux à la batterie ou l'ajout de plusieurs étapes de traitement compliquées.

Mais une nouvelle approche, rapporté par des chercheurs du Drexel's College of Engineering dans une édition récente du journal de l'American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces , intitulé "TiO Phase Stabiliized into Free-Standing Nanofibers as Strong Polysulfide Immobilizer in Li-S Batteries:Evidence for Lewis Acid-Base Interactions, " montre qu'il peut maintenir les polysulfures en place, maintenir l'endurance impressionnante de la batterie, tout en réduisant le poids global et le temps nécessaire à leur fabrication.

« Nous avons créé un tapis de nanofibres de monoxyde de titane poreux autonome en tant que matériau hôte de cathode dans les batteries lithium-soufre, " dit Vibha Kalra, Doctorat., professeur adjoint au College of Engineering et auteur principal de la recherche. "Il s'agit d'un développement important car nous avons découvert que notre cathode de monoxyde de titane-soufre est à la fois hautement conductrice et capable de lier les polysulfures via de fortes interactions chimiques, ce qui signifie qu'il peut augmenter la capacité spécifique de la batterie tout en préservant ses performances impressionnantes sur des centaines de cycles. Nous pouvons également démontrer l'élimination complète des liants et du collecteur de courant du côté cathode qui représentent 30 à 50 % du poids de l'électrode - et notre méthode ne prend que quelques secondes pour créer la cathode au soufre, alors que la norme actuelle peut prendre près d'une demi-journée."

Leurs résultats suggèrent que le tapis de nanofibres, qui au niveau microscopique ressemble à un nid d'oiseau, est une excellente plate-forme pour la cathode au soufre car elle attire et piège les polysulfures qui se forment lors de l'utilisation de la batterie. Le maintien des polysulfures dans la structure cathodique empêche les "navettes, " un phénomène de réduction des performances qui se produit lorsqu'ils se dissolvent dans la solution d'électrolyte qui sépare la cathode de l'anode dans une batterie. Cette conception de cathode peut non seulement aider la batterie Li-S à maintenir sa densité énergétique, mais aussi le faire sans matériaux supplémentaires qui augmentent le poids et le coût de production, selon Kalra.

Pour atteindre ces doubles objectifs, le groupe a étudié de près les mécanismes de réaction et la formation des polysulfures pour mieux comprendre comment un matériau hôte d'électrode pourrait aider à les contenir.

"Cette recherche montre que la présence d'une forte interaction acide-base de Lewis entre le monoxyde de titane et le soufre dans la cathode empêche les polysulfures de pénétrer dans l'électrolyte, qui est la principale cause de la diminution des performances de la batterie, " dit Arvinder Singh, Doctorat., un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Kalra qui était l'auteur de l'article.

Cela signifie que leur conception de cathode peut aider une batterie Li-S à maintenir sa densité énergétique et le faire sans matériaux supplémentaires qui augmentent le poids et le coût de production, selon Kalra.

Les travaux antérieurs de Kalra avec les électrodes en nanofibres ont montré qu'elles offrent une variété d'avantages par rapport aux composants de batterie actuels. Elles ont une surface plus importante que les électrodes actuelles, ce qui signifie qu'ils peuvent s'adapter à l'expansion pendant la charge, ce qui peut augmenter la capacité de stockage de la batterie. En les remplissant d'un gel électrolytique, ils peuvent éliminer les composants inflammables des appareils en minimisant leur susceptibilité aux fuites, incendies et explosions. Ils sont créés par un procédé d'électrofilage, ça ressemble à faire de la barbe à papa, cela signifie qu'elles ont un avantage sur les électrodes à base de poudre standard qui nécessitent l'utilisation de produits chimiques "liants" isolants et détériorant les performances dans leur production.

Parallèlement à son travail de production sans liant, plates-formes cathodiques autoportantes pour améliorer les performances des batteries, Le laboratoire de Kalra a développé une technique de dépôt de soufre rapide qui ne prend que cinq secondes pour faire pénétrer le soufre dans son substrat. La procédure fait fondre le soufre dans les nattes de nanofibres dans un légèrement pressurisé, Environnement à 140 degrés Celsius, éliminant le besoin d'un traitement fastidieux qui utilise un mélange de produits chimiques toxiques, tout en améliorant la capacité de la cathode à maintenir une charge après de longues périodes d'utilisation.

"Nos électrodes Li-S fournissent la bonne architecture et la bonne chimie pour minimiser la décoloration de la capacité pendant le cycle de la batterie, un obstacle majeur à la commercialisation des batteries Li-S, " Kalra said. "Our research shows that these electrodes exhibit a sustained effective capacity that is four-times higher than the current Li-ion batteries. And our novel, low-cost method for sulfurizing the cathode in just seconds removes a significant impediment for manufacturing."

Since Zephyr-6's record-setting flight in 2008, many companies have invested in the development of Li-S batteries in hopes of increasing the range of electric cars, making mobile devices last longer between charges, and even helping the energy grid accommodate wind and solar power sources. Kalra's work now provides a path for this battery technology to move past a number of impediments that have slowed its progress.

The group will continue to develop its Li-S cathodes with the goals of further improving cycle life, reducing the formation of polysulfides and decreasing cost.