L'auteur principal Zulipiya Shadike (à droite) est photographié sur la ligne de lumière XPD de NSLS-II avec le scientifique principal de la ligne de lumière et co-auteur Sanjit Ghose (à gauche). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont conçu un nouveau matériau de cathode organique pour batteries au lithium. Avec du soufre en son cœur, le matériau est plus dense en énergie, rentable, et respectueux de l'environnement que les matériaux cathodiques traditionnels dans les batteries au lithium. La recherche a été publiée dans Matériaux énergétiques avancés le 10 avril, 2019.
Optimisation des matériaux cathodiques
Des smartphones aux véhicules électriques, les technologies devenues centrales au quotidien fonctionnent avec des batteries au lithium. Et comme la demande pour ces produits continue d'augmenter, les scientifiques étudient comment optimiser les matériaux des cathodes pour améliorer les performances globales des systèmes de batteries au lithium.
« Les batteries lithium-ion commercialisées sont utilisées dans les petits appareils électroniques ; cependant, pour accueillir de longues autonomies pour les véhicules électriques, leur densité énergétique doit être plus élevée, " a déclaré Zulipiya Shadike, un associé de recherche dans la division de chimie de Brookhaven et l'auteur principal de la recherche. "Nous essayons de développer de nouveaux systèmes de batteries avec une densité énergétique élevée et des performances stables."
En plus de résoudre les défis énergétiques des systèmes de batteries, les chercheurs de Brookhaven étudient des conceptions de matériaux de batterie plus durables. À la recherche d'un matériau de cathode durable qui pourrait également fournir une densité énergétique élevée, les chercheurs ont choisi le soufre, un élément sûr et abondant.
"Le soufre peut former beaucoup de liaisons, ce qui signifie qu'il peut retenir plus de lithium et donc avoir une plus grande densité d'énergie, " a déclaré le co-auteur Adrian Hunt, un scientifique à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven. "Le soufre est également plus léger que les éléments traditionnels dans les matériaux cathodiques, donc si vous fabriquez une batterie avec du soufre, la batterie elle-même serait plus légère et la voiture sur laquelle elle roule pourrait rouler plus loin avec la même charge."
Lors de la conception du nouveau matériau de cathode, les chercheurs ont choisi un composé organodisulfure qui n'est composé que d'éléments comme le carbone, hydrogène, soufre, et l'oxygène, pas les métaux lourds trouvés dans les batteries au lithium typiques, qui sont moins respectueux de l'environnement. Mais alors que les batteries au soufre peuvent être plus sûres et plus denses en énergie, ils présentent d'autres défis.
L'équipe de chimie de Brookhaven est photographiée sur la ligne de lumière IOS de NSLS-II avec le personnel de la ligne de lumière. Sur la photo de gauche à droite sont les co-auteurs Xia-Qing Yang, Adrien Hunt, Huang-Sui Lee, Zulipiya Shadike, Iradwikanari Waluyo, et Seong Min Bak. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Lorsqu'une batterie se charge ou se décharge, le soufre peut former un composé indésirable qui se dissout dans l'électrolyte et se diffuse dans toute la batterie, provoquant une réaction indésirable, " a déclaré Shadike. "Nous avons tenté de stabiliser le soufre en concevant un matériau de cathode dans lequel des atomes de soufre étaient attachés à un squelette organique."
Les rayons X révèlent les détails
Une fois que les scientifiques de la division de chimie de Brookhaven ont conçu et synthétisé le nouveau matériau, ils l'ont ensuite amené à NSLS-II pour mieux comprendre son mécanisme de charge-décharge. En utilisant les rayons X ultra-lumineux du NSLS-II dans deux stations expérimentales différentes, la ligne de diffraction des rayons X sur poudre (XPD) et la ligne de spectroscopie de rayons X mous (IOS) in situ et Operando, les scientifiques ont pu déterminer comment des éléments spécifiques du matériau de la cathode contribuaient à ses performances.
« Il peut être difficile d'étudier les matériaux organiques des batteries à l'aide de sources de lumière synchrotron car, par rapport aux métaux lourds, les composés organiques sont plus légers et leurs atomes sont moins ordonnés, donc ils produisent des données faibles, " a déclaré Sanjit Ghose, scientifique principal à XPD et co-auteur de l'article. "Heureusement, nous avons des faisceaux de rayons X à très haut flux et à haute énergie au NSLS-II qui nous permettent de « voir » l'abondance et l'activité de chaque élément dans un matériau, y compris briquet, éléments organiques moins ordonnés."
Ghose ajouté, "Nos collègues du département de chimie ont conçu et synthétisé le matériau cathodique selon la structure théoriquement prédite. À notre grande surprise, nos observations expérimentales correspondaient exactement à la structure théorique."
Iradwikanari Waluyo, scientifique principal à IOS et co-auteur de l'article, mentionné, "Nous avons utilisé des rayons X mous à l'IOS pour sonder directement l'atome d'oxygène dans le squelette et étudier sa structure électronique, avant et après la charge et la décharge de la batterie. Nous avons confirmé que le groupe carbonyle - ayant une double liaison entre un atome de carbone et un atome d'oxygène - joue non seulement un rôle important dans l'amélioration de la capacité de charge-décharge rapide de la batterie, mais fournit également une capacité supplémentaire. »
Les résultats du NSLS-II et des expériences supplémentaires à la source lumineuse canadienne ont permis aux scientifiques de confirmer avec succès la capacité de charge-décharge de la batterie fournie par les atomes de soufre. Les chercheurs affirment que cette étude fournit une nouvelle stratégie pour améliorer les performances des cathodes à base de soufre pour les batteries au lithium hautes performances.
