Étapes de synthèse d'un composite graphène-soufre, qui peut être utilisé comme matériau de cathode pour les batteries rechargeables lithium-soufre à haute densité énergétique. Droit d'auteur de l'image :Hailang Wang, et al. ©2011 Société chimique américaine
(PhysOrg.com) -- En enveloppant de minuscules particules de soufre dans des feuilles de graphène, Des chercheurs de l'Université de Stanford ont synthétisé un matériau cathodique prometteur pour les batteries rechargeables lithium-soufre qui pourrait être utilisé pour alimenter des véhicules électriques à grande échelle. Lorsqu'il est combiné avec des anodes à base de silicium, les nouvelles cathodes graphène-soufre pourraient conduire à des batteries rechargeables avec une densité d'énergie nettement plus élevée que ce qui est actuellement possible.
Les chercheurs, dirigé par Yi Cui et Hongjie Dai de l'Université de Stanford, ont publié leur étude dans un récent numéro de Lettres nano .
Comme l'expliquent les chercheurs dans leur étude, afin d'alimenter des véhicules électriques compétitifs par rapport aux véhicules à essence, l'un des plus grands défis consiste à améliorer les densités d'énergie et de puissance des batteries rechargeables au lithium. Le point faible des batteries est actuellement les matériaux cathodiques, qui ont des capacités spécifiques bien inférieures à celles des matériaux anodiques. (Les capacités spécifiques pour les matériaux cathodiques sont d'environ 150 mAh/g pour les oxydes en couches et 170 mAh/g pour LiFe-PO4, tandis que ceux pour les matériaux d'anode sont de 370 mAh/g pour le graphite et de 4200 mAh/g pour le silicium.)
Afin d'améliorer la cathode, les chercheurs se sont tournés vers le soufre, qui a une capacité spécifique théorique de 1672 mAh/g, environ cinq fois plus élevés que ceux des matériaux cathodiques traditionnels. Bien que le soufre présente d'autres avantages, comme un faible coût et un impact environnemental bénin, il a aussi quelques inconvénients. Par exemple, le soufre est un mauvais conducteur, il se dilate lors de la décharge, et les polysulfures se dissolvent dans l'électrolyte. Ensemble, ces problèmes entraînent une faible durée de vie, faible capacité spécifique, et une faible efficacité énergétique.
Des recherches antérieures ont montré que l'ajout de carbone au soufre peut augmenter la conductivité électrique du soufre. Mais bien que divers composites carbone-soufre aient atteint des capacités spécifiques de plus de 1000 mAh/g, leur cycle de vie est encore faible; il reste difficile de conserver ces capacités élevées pendant plus de 100 cycles.
« Nous avons développé une stratégie d'enveloppement de graphène pour surmonter de nombreux problèmes liés à l'utilisation du soufre comme cathodes de batteries lithium-ion, " Cui a dit PhysOrg.com . "Nous avons montré d'excellentes performances cyclistes."
Pour atteindre cette haute performance, les chercheurs de Stanford ont fait quelques ajustements au soufre. D'abord, ils ont enduit des particules de soufre submicrométriques de poly(éthylène glycol) (PEG) pour piéger les polysulfures et empêcher leur dissolution. Le revêtement PEG flexible améliore également la durée de vie du cycle en s'adaptant à l'expansion du volume des particules de soufre pendant la partie de décharge de chaque cycle. Prochain, les chercheurs ont enveloppé les particules de soufre enrobées de feuilles de graphène décorées de nanoparticules de noir de carbone, ce qui améliore la conductivité de la cathode de soufre. La couche de graphène faiblement tassée emprisonne également les polysulfures et s'adapte à l'expansion volumique du soufre.
« Il s'agit d'une conception de matériau très rationnelle pour surmonter les problèmes de dissolution des polysulfures, " a déclaré Hailiang Wang, auteur principal de l'article.
Les performances de cyclage du composite graphène-soufre revêtu de PEG montrent qu'il peut maintenir une capacité spécifique proche de 600 mAh/g pendant plus de 100 cycles. Droit d'auteur de l'image :Hailang Wang, et al. ©2011 Société chimique américaine
Les chercheurs ont démontré que la cathode de graphène-soufre résultante peut atteindre des capacités spécifiques élevées de 500 à 600 mAh/g pendant plus de 100 cycles. Le nouveau matériau de cathode pourrait être utilisé pour fabriquer des batteries rechargeables avec une densité d'énergie plus élevée que celle des autres batteries rechargeables actuelles.
« La capacité de décoloration n'est que d'environ 10 à 15 % pour 100 cycles, ce qui est très excitant, " a déclaré le co-auteur Yuan Yang, qui a fait des électrodes et des cellules dans le projet.
Cependant, avant que de telles batteries puissent être fabriquées, les chercheurs doivent tenir compte de la grande variabilité des performances des batteries lithium-soufre qu'ils ont testées dans cette étude. Par exemple, environ 30 à 50 % des batteries avaient une décroissance de 20 à 25 % sur 100 cycles. À l'avenir, les chercheurs espèrent continuer à améliorer le coiffage du soufre pour permettre un cycle sans perte.
« Globalement, les plus grands défis auxquels sont confrontées les batteries rechargeables pour véhicules électriques sont l'augmentation de la densité énergétique et la réduction des coûts, », a déclaré Cui. « L'utilisation de matériaux à haute énergie et à faible coût tels que le soufre est très attrayante. »
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