Le groupe de recherche du professeur Jong-Sung Yu au Département des sciences et de l'ingénierie de l'énergie de la DGIST a développé une technologie pour une couche intermédiaire de silice poreuse en chargeant du soufre, un matériau actif, dans la silice. Cette nouvelle approche devrait être essentielle à la R&D et à la commercialisation des batteries lithium-soufre de nouvelle génération, dans lesquelles la densité d'énergie et la stabilité sont essentielles.

Avec l'augmentation récente de la demande de dispositifs de stockage d'énergie de grande capacité, des recherches sur les batteries secondaires de nouvelle génération à haute énergie et à faible coût pouvant remplacer les batteries lithium-ion ont été activement menées. Les batteries lithium-soufre, qui utilisent du soufre comme matériau de cathode, ont une densité d'énergie plusieurs fois supérieure à celle des batteries lithium-ion conventionnelles, qui utilisent des éléments de terres rares coûteux comme matériau de cathode. Par conséquent, on s'attend à ce que la batterie à base de soufre soit plus adaptée aux appareils à haute énergie tels que les véhicules électriques et les drones. De plus, la recherche sur les batteries au lithium-soufre est très répandue car le soufre est peu coûteux, abondant et non toxique.

D'autre part, le soufre, un élément actif qui produit de l'énergie électrique, a une faible conductivité, et le polysulfure généré lors de la charge et de la décharge de la batterie diffuse vers l'électrode négative de la batterie, entraînant la perte de soufre par sa réaction avec le lithium. En conséquence, la capacité et la durée de vie de la batterie se détériorent considérablement. Ce problème a été amélioré en insérant une nouvelle couche entre l'électrode de soufre et le séparateur (milieu) qui peut absorber le polysulfure et bloquer la diffusion.

Le carbone conducteur, qui est actuellement utilisé comme technologie intercalaire pour améliorer la capacité et la durée de vie des batteries lithium-soufre, confère une conductivité à l'électrode de soufre. Cependant, la diffusion du soufre ne peut être empêchée car son affinité avec le polysulfure de lithium polaire est faible. D'autre part, si un oxyde polaire est utilisé comme matériau de couche intermédiaire, la perte de soufre est supprimée en raison de sa forte interaction avec le polysulfure de lithium. Cependant, l'utilisation du soufre est plus faible en raison de sa faible conductivité. De plus, les différents matériaux intercalaires étudiés précédemment ne sont pas idéaux car ils ne peuvent pas atteindre la densité d'énergie et la durée de vie nécessaires à la commercialisation en raison de leur épaisseur et de leur faible activité redox.

Pour remédier à ces inconvénients, l'équipe de recherche a d'abord mis en place un nouvel intercalaire silice/soufre poreux redox-actif en ajoutant du soufre dans la silice après avoir synthétisé la silice poreuse en forme de plaque. Ils ont prédit que la capacité et l'efficacité de la durée de vie des batteries lithium-soufre seraient maximisées en raison de l'augmentation induite par le soufre de la capacité par surface de cellule, car du soufre supplémentaire était chargé dans la couche intermédiaire, qui pourrait également agir comme un polysulfure de lithium efficace. site d'adsorption.

Pour étudier cette théorie, la couche intermédiaire silice/soufre a été appliquée à une batterie lithium-soufre, qui a ensuite été chargée et déchargée 700 fois. En conséquence, la couche intermédiaire poreuse silice/soufre a atteint une stabilité à long terme beaucoup plus élevée que la couche intermédiaire poreuse carbone/soufre conventionnelle après 700 cycles de charge/décharge. En particulier, la batterie présentait une capacité élevée et des propriétés durables, même à une teneur élevée en soufre de 10 mg/cm ² et une faible concentration électrolyte:soufre (E/S) de 4. Par conséquent, il est presque prêt pour une application pratique.

Le professeur Jong-Sung Yu a déclaré :« Notre étude est la première à découvrir que le soufre peut être chargé dans les pores d'un matériau de silice poreux pour servir de matériau de couche intermédiaire pour les batteries au lithium-soufre, améliorant ainsi leur capacité et leur durée de vie. Il a ajouté :"Ce résultat est une nouvelle étape dans le développement de batteries lithium-soufre à haute énergie et longue durée de nouvelle génération."

Cette étude a été menée en collaboration avec l'équipe du Dr Amine Khalil au Laboratoire National d'Argonne (ANL). Le Dr Byung-Jun Lee, qui a obtenu son doctorat. sous la direction du professeur Jong-Sung Yu du Département de l'énergie et des sciences et de l'ingénierie de la DGIST, a été le premier auteur. Cette étude a été publiée en ligne le 8 août dans Nature Communications . + Explorer plus loin

La batterie lithium-soufre de nouvelle génération résout le problème de perte de soufre