En hybridant sp ² nanocarbone et carbone poreux nanostructuré, des chercheurs ont créé une batterie lithium-soufre haute énergie et haute puissance à l'université de Tsinghua, paru dans le tome 24, Numéro 19 de Matériau fonctionnel avancé publié le 21 mai 2014.

« Motivé par le développement rapide de l'électronique portable, véhicules électriques, et la récolte d'énergie renouvelable, les dispositifs avancés de stockage d'énergie tels que les batteries au lithium sont très recherchés, " a déclaré le Dr Qiang Zhang, professeur agrégé au Département de génie chimique, Université de Tsinghua. "Étant donné que la batterie lithium-ion traditionnelle a atteint sa limite théorique de densité d'énergie, notre groupe a exploré le formidable potentiel des batteries lithium-soufre, un nouveau système de stockage d'énergie électrochimique, et a mené de vastes recherches pendant environ deux ans."

Batteries lithium-soufre, employant du soufre comme cathode et du lithium métallique comme anode, délivre théoriquement une densité énergétique de 2600 Wh kg ^-1 , trois à six fois plus élevé que les batteries lithium-ion traditionnelles lorsque le soufre et le lithium réagissent pleinement. En outre, le soufre du matériau cathodique est naturellement abondant, à bas prix, et respectueux de l'environnement. Cependant, il reste encore plusieurs défis à relever avant que les batteries lithium-soufre trouvent une application pratique.

"D'une part, le soufre est un isolant hautement électrique et ionique. Sa conductivité est de plusieurs à dix ordres de grandeur inférieure à celle du LiCoO typique 2 ou LiFePO 4 matériau de cathode trouvé dans les batteries lithium-ion, nécessitant 25 à 40 pour cent de plus de poids en agents conducteurs dans l'ensemble de la cathode, empêchant ainsi la démonstration complète de la haute densité d'énergie intrinsèque, " Qiang a dit à Phys.org,

"D'autre part, en raison du chemin de réaction à plusieurs étapes et à plusieurs phases, l'intermédiaire hautement soluble, toujours sous forme d'anions polysulfures en chaîne, génère du côté de la cathode, diffuse à travers la membrane, réagit avec l'anode de lithium, et les navettes reviennent. Pendant tout le processus, les polysulfures se dissolvent et réagissent de manière irréversible avec le lithium et les composants organiques, provoquant la destruction de la structure cathodique, épuisement de l'anode de lithium, et la perte de matières actives. Ainsi, le cycle de vie est très pauvre."

Réellement, similaire au matériau d'anode avancé tel que le silicium et l'étain, il y a un énorme changement de volume (environ 60-70 pour cent) lorsque le soufre est entièrement lithié en sulfure de lithium plus léger, entraînant la défaillance de l'échafaudage conducteur et aussi la faible durée de vie. Pour résoudre ces problèmes multiformes, les chercheurs doivent développer un matériau multifonctionnel à haute conductivité électrique, une voie ionique interconnectée, et suffisamment d'espace pour accueillir le soufre et retarder la diffusion des polysulfures.

« Le matériau en carbone joue un rôle essentiel dans les systèmes de stockage d'énergie avancés comme les batteries lithium-soufre en raison de leur excellente conductivité, flexibilité mécanique, et une morphologie et une chimie de surface sur mesure », a déclaré le professeur Fei Wei. « Notre groupe étudie depuis longtemps les matériaux nanocarbonés et a développé une série de méthodologies pour la production en série de nanotubes de carbone (CNT) et de graphène, ainsi que leur application pour le stockage d'énergie. Le sp ² Le nanocarbone possède une conductivité électronique extraordinaire avec une surface spécifique limitée et un espace confiné. Le charbon poreux nanostructuré tel que le charbon actif et le charbon mésoporeux ont une surface spécifique et une porosité élevées mais une faible conductivité en raison de leur nature défectueuse. Étant donné que les deux ne peuvent pas répondre aux exigences des batteries lithium-soufre, l'hybridation, ou le « mariage » de deux de ces matériaux se traduira par une nouvelle nanoarchitecture de carbone héritant des avantages et présentant des fonctionnalités supérieures. »

Sur la base de ce concept, Hong-Jie Peng, un étudiant diplômé et le premier auteur, développé une stratégie de dépôt chimique en phase vapeur in situ suivie d'une pyrolyse d'hydrocarbures et d'une activation chimique. Une nanoarchitecture CNT/graphène/carbone poreux avec une conductivité électrique extraordinaire et des micro-/mésopores hiérarchiques a été fabriquée pour une cathode composite carbone/soufre avancée. réservoir de masse active. Le lithium-soufre résultant présentait une durée de vie prolongée et une capacité de puissance supérieure.

"Nous espérons que les matériaux de carbone avancés pourront aider les batteries lithium-soufre à être comparables au système entraîné par moteur pour le futur transport électrique." dit Hong-Jie. Une étude plus approfondie portera sur l'augmentation de la charge surfacique et de la teneur réelle en soufre, ainsi que l'innovation de la membrane, anode, électrolyte, et toute la configuration de la cellule. En outre, le matériau carbone hybride a des applications étonnantes dans les supercondensateurs, batteries sodium-ion, et batteries métal-air, et d'autres technologies.