Les véhicules électriques pourraient voyager plus loin et davantage d'énergie renouvelable pourrait être stockée avec des batteries lithium-soufre qui utilisent un nanomatériau pulvérulent unique.

Les chercheurs ont ajouté la poudre, une sorte de nanomatériau appelé charpente organique métallique, à la cathode de la batterie pour capturer les polysulfures problématiques qui provoquent généralement la défaillance des batteries lithium-soufre après quelques charges. Un article décrivant le matériau et ses performances a été publié en ligne le 4 avril dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

"Les batteries lithium-soufre ont le potentiel d'alimenter les véhicules électriques de demain, mais ils doivent durer plus longtemps après chaque charge et pouvoir être rechargés à plusieurs reprises, ", a déclaré le chimiste des matériaux Jie Xiao du laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest du ministère de l'Énergie. "Notre cadre organique métallique peut offrir une nouvelle façon d'y parvenir."

Les véhicules électriques d'aujourd'hui sont généralement alimentés par des batteries lithium-ion. Mais la chimie des batteries lithium-ion limite la quantité d'énergie qu'elles peuvent stocker. Par conséquent, Les conducteurs de véhicules électriques s'inquiètent souvent de la distance qu'ils peuvent parcourir avant de devoir recharger. Une solution prometteuse est la batterie lithium-soufre, qui peuvent contenir jusqu'à quatre fois plus d'énergie par masse que les batteries lithium-ion. Cela permettrait aux véhicules électriques de rouler plus loin avec une seule charge, ainsi que d'aider à stocker plus d'énergie renouvelable. L'inconvénient des batteries lithium-soufre, cependant, c'est qu'elles ont une durée de vie beaucoup plus courte car elles ne peuvent actuellement pas être rechargées autant de fois que les batteries lithium-ion.

Stockage d'énergie 101

La raison peut être trouvée dans le fonctionnement des batteries. La plupart des batteries ont deux électrodes :l'une est chargée positivement et appelée cathode, tandis que la seconde est négative et appelée anode. L'électricité est générée lorsque les électrons circulent à travers un fil qui relie les deux. Pour contrôler les électrons, les atomes chargés positivement se déplacent d'une électrode à l'autre par un autre chemin :la solution d'électrolyte dans laquelle reposent les électrodes.

Les principaux obstacles de la batterie lithium-soufre sont des réactions secondaires indésirables qui réduisent la durée de vie de la batterie. L'action indésirable commence sur la cathode contenant du soufre de la batterie, qui se désintègre lentement et forme des molécules appelées polysulfures qui se dissolvent dans l'électrolyte liquide. Une partie du soufre, une partie essentielle des réactions chimiques de la batterie, ne retourne jamais à la cathode. Par conséquent, la cathode a moins de matériau pour maintenir les réactions et la batterie meurt rapidement.

De nouveaux matériaux pour de meilleures batteries

Des chercheurs du monde entier tentent d'améliorer les matériaux de chaque composant de batterie afin d'augmenter la durée de vie et l'utilisation généralisée des batteries lithium-soufre. Pour cette recherche, Xiao et ses collègues ont affiné la cathode pour empêcher les polysulfures de traverser l'électrolyte.

De nombreux matériaux avec de minuscules trous ont été examinés pour piéger physiquement les polysulfures à l'intérieur de la cathode. Les charpentes organiques métalliques sont poreuses, mais la force supplémentaire du matériau du PNNL est sa capacité à attirer fortement les molécules de polysulfure.

Le centre de nickel chargé positivement de la charpente lie étroitement les molécules de polysulfure aux cathodes. Le résultat est une liaison covalente coordonnée qui, lorsqu'il est associé à la structure poreuse de l'armature, fait que les polysulfures restent en place.

"La structure hautement poreuse du MOF est un plus qui maintient le polysulfure étanche et le fait rester dans la cathode, " a déclaré l'électrochimiste du PNNL Jianming Zheng.

Le nanomatériau est la clé

Les charpentes organiques métalliques, également appelées MOF, sont des composés cristallins constitués d'amas métalliques connectés à des molécules organiques, ou des linkers. Ensemble, les clusters et les lieurs s'assemblent en structures 3D poreuses. Les MOF peuvent contenir un certain nombre d'éléments différents. Les chercheurs du PNNL ont choisi le métal de transition nickel comme élément central de ce MOF particulier en raison de sa forte capacité à interagir avec le soufre.

Lors des tests en laboratoire, une batterie au lithium-soufre avec la cathode MOF du PNNL a maintenu 89 % de sa capacité d'alimentation initiale après 100 cycles de charge et de décharge. Ayant montré l'efficacité de leur cathode MOF, PNNL researchers now plan to further improve the cathode's mixture of materials so it can hold more energy. The team also needs to develop a larger prototype and test it for longer periods of time to evaluate the cathode's performance for real-world, large-scale applications.

PNNL is also using MOFs in energy-efficient adsorption chillers and to develop new catalysts to speed up chemical reactions.

"MOFs are probably best known for capturing gases such as carbon dioxide, " Xiao said. "This study opens up lithium-sulfur batteries as a new and promising field for the nanomaterial."

This research was funded by the Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Researchers analyzed chemical interactions on the MOF cathode with instruments at EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory at PNNL.

In January, une Communication Nature paper by Xiao and some of her PNNL colleagues described another possible solution for lithium-sulfur batteries:developing a hybrid anode that uses a graphite shield to block polysulfides.