Soufre, en grande abondance comme sous-produits de l'industrie pétrolière, est l'une des solutions les plus intrigantes pour résoudre le dilemme énergétique en manifestant la chimie entre le soufre et le lithium. Ainsi, les batteries lithium-soufre employant le couple redox lithium-soufre délivrent théoriquement une densité énergétique de 2600 Wh kg-1, ce qui est 3 à 5 fois plus élevé que les batteries lithium-ion traditionnelles. Bien qu'il s'agisse d'une perspective prometteuse, plusieurs obstacles entravent encore leur application pratique. L'un des plus importants est l'évanouissement rapide de la capacité.
"La décroissance rapide de la capacité de la batterie lithium-soufre est attribuée à de nombreux aspects. L'une des raisons les plus largement acceptées est due aux polysulfures intermédiaires. Les polysulfures sont une forme de transition du soufre, partiellement lithié, qui est hautement polaire et soluble dans l'électrolyte organique typique que nous avons utilisé. Lors de la décharge, ils se dissolvent dans l'électrolyte, diffuse de la cathode à l'anode, et réagir avec l'anode de lithium. Les matières actives sont ainsi perdues, provoquant une perte de capacité, " a déclaré le Dr Qiang Zhang, professeur agrégé au Département de génie chimique, Université de Tsinghua. "Ce problème suscite d'énormes inquiétudes et des efforts considérables sont consacrés à la résolution de ce problème. Mais nous sommes également intéressés par un autre problème, la fluctuation dynamique de l'affinité entre les différentes espèces de soufre et les matériaux hôtes conducteurs."
"En raison du processus de transfert multi-électrons, les espèces de soufre varient du soufre élémentaire initial, polysulfures intermédiaires, et le produit de décharge final des sulfures de lithium. Le soufre n'est pas polaire, et présente ainsi la plus haute affinité pour les hôtes carbonés conventionnels. Alors que les polsulfures et les sulfures de lithium sont hautement polaires, affaiblissant l'interaction entre eux et le carbone. En raison de cette mauvaise interaction, ils se détachent facilement de l'hôte de carbone et n'apportent aucune capacité. Par conséquent, les performances d'une batterie lithium-soufre se détériorent rapidement lorsque seuls des hôtes de carbone pur sont utilisés, " dit Qiang. " Par conséquent, une question clé est de savoir comment choisir un matériau hôte idéal avec une affinité élevée pour le soufre non polaire et les polysulfures polaires, ainsi que les sulfures de lithium.
Ici, des nanotubes de carbone dopés à l'azote ont été adoptés comme matériau hôte pour la cathode de soufre. Des atomes d'azote avec une électronégativité plus élevée sont incorporés dans les réseaux graphitiques des nanotubes de carbone, qui a démontré sa capacité à régler la structure électronique et les propriétés de surface. Comment les atomes d'azote de dopage affectent-ils le comportement électrochimique lorsque des nanotubes de carbone dopés à l'azote sont appliqués pour une batterie lithium-soufre ?
Hong-Jie Peng, un étudiant diplômé et le premier auteur, délibérément répondu à cette question. "Premièrement, nous avons mené une étude sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et conçu trois modèles moléculaires pour illustrer le carbone pur, du carbone avec de l'azote au bord, que nous avons appelé azote pyridinique, et du carbone avec de l'azote remplaçant l'atome de carbone central, que nous avons appelé azote quaternaire. Par le calcul théorique, nous avons trouvé que les nanotubes de carbone dopés à l'azote présentaient une interaction plus forte avec les polysulfures et les sulfures de lithium. Ceci est attribué à l'adsorption de ces espèces polaires de soufre sur les sites dopés à l'azote chargés négativement. Il a révélé que le nanotube de carbone dopé à l'azote pourrait valoir la peine d'être essayé. »
"Puis, nous avons juste préparé des composites nanotubes de carbone/soufre dopés à l'azote et assemblé des batteries pour vérifier si nos résultats théoriques étaient fiables. Étonnamment, l'expérience électrochimique correspondait très bien à la prédiction théorique. Comparé à une batterie à base de nanotubes de carbone brut, la vie à vélo a été considérablement favorisée par six fois. Par ailleurs, une analyse électrochimique délicate a soutenu les résultats théoriques et les performances des cellules. » a déclaré Hong-Jie. Ce travail propose l'importance d'une interface dynamique stable entre les hôtes carbonés et les invités contenant du soufre et jette un nouvel éclairage sur le mécanisme de désintégration de la batterie lithium-soufre, qui a été récemment publié dans Interfaces de matériaux avancées .
"Des matériaux hôtes plus avancés satisfaisant la demande d'amphiphilie pour les espèces de soufre non polaires et polaires vont être explorés, " dit Qiang.
