La technologie des batteries au lithium-ion (LIB) est l'une des sources d'alimentation mobiles les plus importantes pour les ordinateurs portables, appareils photo, et les téléphones intelligents. Cependant, la densité d'énergie actuelle des LIB s'approche de la limite théorique, ce qui souligne le besoin urgent de nouveaux systèmes de batteries à haute densité énergétique. Parmi les systèmes de stockage à haute densité énergétique, batteries lithium-soufre, avec une densité énergétique de 2600 Wh kg -1 (près de 3 à 5 fois supérieur à celui des LIB traditionnels), détient le potentiel pour servir de prochaine génération de batterie à haute énergie. Le soufre possède une très faible conductivité électrique de 5x10 -30 S cm-1 à température ambiante. Par conséquent, 30-70 poids pourcentage de matériaux conducteurs, par exemple. nanotubes de carbone, graphène, carbone poreux, et polymères conducteurs, doivent être ajoutés dans l'électrode pour une utilisation élevée du soufre dans la technologie de traitement actuelle. L'ajout de matériaux nanocarbonés à faible densité d'empilement neutralise la haute densité énergétique, en particulier la densité énergétique volumétrique des batteries lithium-soufre.
Des chercheurs du groupe du professeur Qiang Zhang de l'Université Tsinghua de Pékin ont développé une nouvelle stratégie pour augmenter la quantité de soufre jusqu'à 90 % en poids dans les matériaux cathodiques sur la base d'un échafaudage CNT/S aligné, ce qui profite à la densité énergétique volumétrique ultra-élevée des batteries lithium-soufre. Une capacité volumétrique de 1116 mAh・cm-3 et une densité énergétique volumétrique de 434 Wh・L -1 ont été obtenus en fonction du volume de la cellule totale, y compris cathode, collecteur de courant, membrane, anode, qui était bien au-delà de la batterie au lithium à couche mince. L'équipe a publié ses conclusions dans un récent numéro de Nano énergie (2014, 4, 65-72).
« La conception de matériaux de cathode au soufre pour les batteries lithium-soufre à haute densité d'énergie volumétrique est cruciale pour les applications pratiques, " a déclaré Qiang. " Nous avons sélectionné des CNT alignés comme échafaudage ultra-léger car ils démontrent une architecture poreuse hiérarchique, conductivité électrique extrêmement élevée, faible densité, ainsi qu'à faible coût." En fait, de tels types de NTC alignés d'une longueur de 20 à 200 m ont été produits en masse dans un réacteur à lit fluidisé à un faible coût de moins de 100 USD par kg -1 . "Ces NTC alignés peuvent être facilement dispersés dans un polymère avec un seuil de percolation conductrice ultra-faible de 0,0025 % en poids. Évidemment, ils peuvent également servir d'échafaudage conducteur à haute efficacité pour les matériaux soufrés. » ajoute le professeur Fei Wei, "Nous avons trouvé une solution évolutive, température ambiante, procédé en une étape pour la fabrication d'une cathode alignée NTC/soufre. Le matériau de cathode composite possède une teneur en soufre ultra-élevée de 90 % en poids et une densité élevée de 1,98 g cm. -3 , qui est 2 à 4 fois supérieure à celle de la cathode composite soufre/carbone habituelle. Par conséquent, la densité d'énergie volumétrique de cette recherche est bien au-delà du résultat rapporté."
Comme le souligne le professeur Zhang, cette approche met en lumière la construction de batteries lithium-soufre à haute densité énergétique volumétrique en utilisant une cathode composite haute densité avec une charge élevée en soufre. Les travaux futurs dans le développement de batteries au lithium-soufre pourraient se concentrer sur la stratégie de soulagement de l'effet navette et de suppression des dendrites au lithium, et une amélioration supplémentaire de la densité d'énergie gravimétrique et volumétrique des systèmes électrochimiques lithium-soufre.
