Des smartphones aux vélos électriques, le nombre d'appareils électroniques mobiles ne cesse de croître dans le monde. Par conséquent, il y a un besoin accru de piles petites et légères, pourtant puissant. Comme le potentiel d'amélioration des batteries lithium-ion est presque épuisé, les experts se tournent désormais vers un nouveau dispositif de stockage d'énergie prometteur :les batteries lithium-soufre.
Dans une étape importante vers le développement ultérieur de ce type de batterie, une équipe dirigée par le professeur Thomas Bein de LMU Munich et Linda Nazar de l'Université de Waterloo au Canada a développé des nanoparticules de carbone poreuses qui utilisent des molécules de soufre pour atteindre la plus grande efficacité possible.
Dans les prototypes de la batterie lithium-soufre, les ions lithium sont échangés entre les électrodes de lithium et de soufre-carbone. Le soufre joue un rôle particulier dans ce système :dans des conditions optimales, il peut absorber deux ions lithium par atome de soufre. C'est donc un excellent matériau de stockage d'énergie en raison de son faible poids. À la fois, le soufre est un mauvais conducteur, ce qui signifie que les électrons ne peuvent être transportés que très difficilement pendant la charge et la décharge. Pour améliorer la conception de cette batterie, les scientifiques de la Nanosystems Initiative Munich (NIM) s'efforcent de générer des phases de soufre avec la plus grande surface d'interface possible pour le transfert d'électrons en les couplant avec un matériau conducteur nanostructuré.
À cette fin, Thomas Bein et son équipe du NIM ont d'abord développé un réseau de nanoparticules de carbone poreuses. Les nanoparticules ont des pores de 3 à 6 nanomètres de large, permettant au soufre d'être uniformément réparti. De cette façon, presque tous les atomes de soufre sont disponibles pour accepter les ions lithium. En même temps, ils sont également situés à proximité du carbone conducteur.
« Le soufre est très accessible électriquement dans ces nouvelles nanoparticules de carbone très poreuses et est stabilisé afin que nous puissions atteindre une capacité initiale élevée de 1200 mAh/g et une bonne stabilité de cycle, " explique Thomas Bein. " Nos résultats soulignent l'importance de la nano-morphologie pour la performance de nouveaux concepts de stockage d'énergie. "
La structure du carbone réduit également le problème dit des polysulfures. Les polysulfures se forment en tant que produits intermédiaires des processus électrochimiques et peuvent avoir un impact négatif sur la charge et la décharge de la batterie. Le réseau carboné lie les polysulfures, cependant, jusqu'à ce que leur conversion en sulfure de dilithium souhaité soit atteinte. Les scientifiques ont également pu recouvrir le matériau carboné d'une fine couche d'oxyde de silicium qui protège contre les polysulfures sans réduire la conductivité.
Incidemment, les scientifiques ont également établi un record avec leur nouveau matériel :selon les dernières données, leur matériau a le plus grand volume de pores internes (2,32 cm3/g) de toutes les nanoparticules de carbone mésoporeuses, et une très grande surface spécifique de 2445 m2/g. Cela correspond à peu près à un objet du volume d'un morceau de sucre et de la surface de dix courts de tennis. De grandes surfaces comme celle-ci pourraient bientôt être cachées à l'intérieur de nos batteries.
