Qu'obtenez-vous lorsque vous enveloppez une fine feuille de graphène « matériau merveilleux » autour d'une nouvelle électrode de soufre multifonctionnelle qui combine une unité de stockage d'énergie et des réseaux de transfert d'électrons/ions ? Une conception de structure d'électrode extrêmement prometteuse pour les batteries rechargeables lithium-soufre.

Les batteries lithium-soufre présentent un grand intérêt commercial car elles présentent des densités d'énergie spécifiques théoriques considérablement supérieures à celles de leur cousine déjà bien établie, batteries lithium-ion.

Dans la revue Matériaux APL , des éditions AIP, une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Vasant Kumar à l'Université de Cambridge et le professeur Renjie Chen à l'Institut de technologie de Pékin décrivent leur conception d'une cathode de soufre multifonctionnelle au niveau nanométrique pour résoudre les problèmes liés aux performances tels que la faible efficacité et la dégradation de la capacité.

Les charpentes organiques métalliques (MOF) ont récemment attiré beaucoup d'attention, grâce à de nombreuses applications dans le stockage d'hydrogène, séquestration du dioxyde de carbone, catalyse et membranes. Et pour créer leur cathode, l'équipe a utilisé le MOF "comme modèle" pour produire une cage de carbone poreuse conductrice, dans laquelle le soufre agit comme hôte et chaque nanoparticule soufre-carbone agit comme unités de stockage d'énergie où se produisent des réactions électrochimiques.

"Notre échafaudage en carbone agit comme une barrière physique pour confiner les matériaux actifs au sein de sa structure poreuse, " a expliqué Kai Xi, chercheur à Cambridge. "Cela conduit à une stabilité de cyclisme améliorée et à une efficacité élevée." Ils ont également découvert qu'en enveloppant davantage l'unité de stockage d'énergie soufre-carbone dans une fine feuille de graphène flexible, on accélère le transport des électrons et des ions.

Qu'est-ce qui se cache derrière l'amélioration de la capacité ? La cinétique de transfert de charge rapide est rendue possible par un réseau de graphène interconnecté à haute conductivité électrique, selon l'équipe. Leurs travaux montrent que la structure composite d'un échafaudage poreux avec des connexions conductrices est une conception de structure d'électrode prometteuse pour les batteries rechargeables.

Ce travail fournit une "base, mais souple, approche à la fois d'améliorer l'utilisation du soufre et d'améliorer la stabilité du cycle des batteries, " Xi a déclaré. " La modification de l'unité ou de son cadre par dopage ou revêtement polymère pourrait porter les performances à un tout nouveau niveau. "

Au niveau des candidatures, l'intégration unique du stockage d'énergie dans la conception de la nouvelle batterie avec un cadre ion/électron a maintenant ouvert la porte à la fabrication de systèmes de stockage d'énergie non topotactiques haute performance (n'impliquant pas de changement structurel vers un solide cristallin) basés sur des réactions.

Quelle est la prochaine étape pour l'équipe ? « Nous nous concentrerons sur la fabrication de systèmes hybrides à cathode de soufre autonomes pour obtenir des batteries à haute densité énergétique, qui impliquera la personnalisation de nouveaux composants électrolytiques et la construction de « couches de protection » au lithium pour améliorer les performances électrochimiques des batteries, " a noté Xi.