Avec le développement rapide des appareils électroniques portables, voitures électriques, et le stockage des énergies renouvelables, des systèmes de stockage d'énergie à haute densité sont nécessaires. Batteries lithium-ion, bien que mature et largement utilisé, ont rencontré la limite théorique et ne peuvent donc pas répondre au besoin urgent de haute densité énergétique. Batteries lithium-soufre, possédant une densité énergétique théorique de 2600 Wh kg-1, qui sont environ 4 fois plus que les batteries lithium-ion utilisées dans le commerce, sont considérés comme de bons candidats. L'abondance et la nature écologique de l'élément soufre en tant que matériau de cathode sont des facteurs de l'énorme potentiel des batteries lithium-soufre. La combinaison de nanocarbone et de soufre est efficace pour surmonter la nature isolante du soufre pour les batteries lithium-soufre.
"En raison de l'excellente conductivité électrique, résistance mécanique et stabilité chimique, les matériaux nanocarbonés ont joué un rôle essentiel dans le domaine du stockage avancé de l'énergie, " a déclaré le Dr Qiang Zhang, professeur agrégé au Département de génie chimique de l'Université Tsinghua.
Cependant, la plupart des contributions concernant les cathodes composites carbone/soufre possèdent une charge surfacique de soufre relativement faible de moins de 2,0 mg cm -2 , ce qui a empêché la démonstration complète des performances exceptionnelles des cathodes composites C/S. "La capacité surfacique des batteries lithium-ion utilisées dans le commerce est d'environ 4 mAh cm -2 , et donc, la charge surfacique de soufre dans la cathode des batteries lithium-soufre doit être grandement améliorée, " a déclaré Qiang.
Récemment, Des scientifiques de l'Université de Tsinghua ont créé une électrode en papier à nanotubes de carbone autonome à forte charge en soufre pour les batteries lithium-soufre.
Une stratégie ascendante a été employée et une structure hiérarchique a été conçue et réalisée.
"Nous sélectionnons les nanotubes de carbone (CNT) comme brique de base", Qiang a dit à Phys.org, "Les NTC sont l'une des charges conductrices les plus efficaces et les plus efficaces pour les électrodes. Nous avons sélectionné des NTC courts à parois multiples (MWCNT) d'une longueur de 10 à 50 m comme réseau conducteur électrique à courte portée pour supporter le soufre, ainsi que des NTC super longs avec des longueurs de 1 000 à 2 000 m à partir de NTC alignés verticalement (VACNT) en tant que réseaux conducteurs à longue portée et liants interpénétrés pour l'électrode en papier autonome hiérarchique."
"Nous développons une routine ascendante dans laquelle le soufre a d'abord été bien dispersé dans le réseau MWCNT pour obtenir des blocs de construction MWCNT@S, puis MWCNT@S et VACNTs ont été assemblés en films macro-CNT-S via la dispersion dans l'éthanol suivie par le vide filtration", Zhe Yuan, un étudiant à l'Université Tsinghua, expliqué, "De telles électrodes de soufre avec des échafaudages CNT hiérarchiques peuvent accueillir plus de 5 à 10 fois plus d'espèces de soufre par rapport aux électrodes conventionnelles sur des collecteurs de courant à feuille métallique tout en maintenant le niveau d'utilisation élevé du soufre."
Dans la plupart des cellules Li-S signalées, une feuille d'aluminium a été utilisée comme collecteur de courant et une procédure de revêtement en suspension de routine a été largement utilisée. Cependant, il y avait un rapport de 10 à 50 % en poids de liants, agents conducteurs, ainsi que la modification des précurseurs dans l'électrode, qui a neutralisé l'avantage du système Li-S en haute capacité spécifique.
Ici, aucune feuille d'aluminium ni aucun liant n'ont été utilisés dans cette recherche.
"Une capacité de décharge initiale de 6,2 mAh cm -2 (995 mAh g-1), une utilisation de 60 % de soufre, et un taux d'évanouissement cyclique lent de 0,20 %/cycle au cours des 150 cycles initiaux à une faible densité de courant de 0,05 C ont été atteints, " dit le co-auteur Jia-Qi Huang de l'université de Tsinghua. " La capacité surfacique peut encore être augmentée à 15,1 mAh cm -2 en empilant trois électrodes papier CNT-S, avec une charge surfacique de soufre de 17,3 mg cm -2 comme cathode dans une cellule Li-S." Ce travail a été publié dans le Volume 24, Numéro 39 de Matériau fonctionnel avancé le 22 octobre 2014.
Cette expérience de preuve de concept indique que la conception rationnelle de l'électrode nanostructurée offre la possibilité d'utiliser efficacement des matériaux actifs comme charge pratique. « La procédure actuelle de fabrication d'électrodes ascendante est efficace pour la préparation d'électrodes en papier flexibles à grande échelle avec une bonne répartition de tous les composés fonctionnels, ce qui est également favorable pour le graphène, CNT-graphène, Electrodes flexibles à base d'oxyde métallique CNT, " Qiang a déclaré. " L'électrode en papier autoportante telle qu'elle est obtenue est prometteuse pour les applications omniprésentes des batteries Li-S à faible coût, hautes densités d'énergie pour les futurs appareils électroniques flexibles tels que l'électronique intelligente et les écrans enroulables."
