Les batteries au lithium-ion ne répondent pas aux demandes d'énergie des appareils électroniques de plus grande puissance, véhicules électriques et réseaux électriques intelligents. Pour développer des batteries de plus grande capacité, les chercheurs se sont tournés vers les batteries lithium-soufre en raison de la capacité théorique et de la densité énergétique élevées du soufre.

Mais il reste encore plusieurs problèmes à résoudre avant que les batteries lithium-soufre puissent être mises en pratique, tels que la conductivité électrique intrinsèquement faible du soufre et la dégradation rapide de la capacité causée par les polysulfures s'échappant de la cathode.

Le plus gros problème est l'effet de navette qui se produit pendant le cyclisme. Cet effet provoque la diffusion des polysulfures de la cathode, créant une perte de capacité. Il consomme également beaucoup de lithium frais et d'électrolytes, et réduit les performances de la batterie.

Pour résoudre le problème de navette et améliorer les performances de la batterie lithium-soufre, les auteurs d'un article publié dans Matériaux APL , a créé une électrode à structure sandwich utilisant un nouveau matériau qui piège les polysulfures et augmente la cinétique de réaction.

ZIF-67 est une structure métal-organique (MOF) construite à partir d'ions métalliques ou d'amas métalliques et de ligands organiques. Il est très prometteur dans le stockage et la séparation du gaz, catalyse et stockage d'énergie. Les matériaux dérivés du MOF sont également intéressants pour le stockage d'énergie en raison de leur structure robuste, surface poreuse et haute conductivité.

Une électrode à structure sandwich avec du soufre immobilisé entre les couches PZ67, PZ67/S/PZ67, améliore la densité énergétique pratique de la batterie lithium-soufre jusqu'à trois à cinq fois supérieure à celle des batteries lithium-ion. Le PZ67 est composé de matériaux polaires, et le carbone poreux a montré un effet synergique dans l'interaction chimique, servi de barrière physique, a offert une conductivité élevée pour interdire l'effet de navette du polysulfure et a amélioré les performances de cyclage des batteries.

"Le PZ67 poreux peut non seulement absorber les polysulfures pour former un confinement, il peut également améliorer la cinétique de la réaction réelle des matières actives pendant le cycle de la batterie, " a déclaré l'auteur Siwu Li. " Cela signifie que cela peut également améliorer la tension de décharge de la batterie, et c'est une grande contribution à l'amélioration de la densité énergétique des batteries."

L'électrode à structure sandwich qui confine les polysulfures solubles pourrait être utile à toute personne travaillant au confinement de matériaux solubles, dit Li. Son équipe prévoit de poursuivre ses travaux afin d'étendre le processus de fabrication de l'électrode hybride à l'aide d'un procédé de pressage à chaud. Ils prévoient également de remédier aux instabilités du côté anode des batteries lithium-soufre, éventuellement en ajoutant une couche protectrice.