Les batteries lithium-soufre ont été un sujet brûlant dans la recherche sur les batteries en raison de leur capacité à produire jusqu'à 10 fois plus d'énergie que les batteries conventionnelles, ce qui signifie qu'ils sont très prometteurs pour les applications dans les véhicules électriques énergivores.

Cependant, il y a eu des obstacles fondamentaux à la commercialisation de ces batteries au soufre. L'un des principaux problèmes est la tendance des produits de réaction du lithium et du soufre, appelés polysulfures de lithium, se dissoudre dans l'électrolyte de la batterie et se rendre en permanence à l'électrode opposée. Cela entraîne une diminution de la capacité de la batterie au cours de sa durée de vie.

Des chercheurs du Bourns College of Engineering de l'Université de Californie, Riverside a étudié une stratégie pour empêcher ce phénomène de "navette de polysulfure" en créant des particules de soufre de taille nanométrique, et les enrober de silice (SiO2), autrement connu sous le nom de verre.

Le travail est décrit dans un document, "SiO2 - Particules de soufre enrobées comme matériau de cathode pour les batteries lithium-soufre, " vient de paraître en ligne dans la revue Nanoéchelle . En outre, les chercheurs ont été invités à soumettre leurs travaux pour publication dans le numéro thématique spécial Graphene-based Energy Devices dans RSC Nanoscale.

doctorat les étudiants des groupes de recherche de Cengiz Ozkan et Mihri Ozkan ont travaillé à la conception d'un matériau cathodique dans lequel des cages de silice « piègent » des polysulfures ayant une très fine coque de silice, et les produits de polysulfure des particules sont maintenant confrontés à une barrière de piégeage - une cage en verre. L'équipe a utilisé un précurseur organique pour construire la barrière de piégeage.

"Notre plus grand défi était d'optimiser le processus de dépôt de SiO2 - pas trop épais, pas trop mince, de l'épaisseur d'un virus", dit Mihri Ozkan.

Étudiants diplômés Brennan Campbell, Jeffrey Bell, Baie Hamed Hosseini, Zachary Faveurs, et Robert Ionescu ont découvert que les particules de soufre en cage de silice offraient des performances de batterie considérablement plus élevées, mais a estimé qu'une amélioration supplémentaire était nécessaire en raison du défi posé par la rupture de la coque en SiO2.

"Nous avons décidé d'incorporer de l'oxyde de graphène légèrement réduit (mrGO), un proche parent du graphène, en tant qu'additif conducteur dans la conception des matériaux cathodiques, pour assurer la stabilité mécanique des structures en cage de verre", dit Cengiz Ozkan.

La cathode de nouvelle génération a apporté une amélioration encore plus spectaculaire que la première conception, depuis que l'équipe a conçu à la fois une barrière de piégeage de polysulfure et une couverture d'oxyde de graphène flexible qui exploite le soufre et la silice ensemble pendant le cyclisme.

"La conception de la structure noyau-coque repose essentiellement sur la fonctionnalité d'adsorption en surface du polysulfure à partir de la coque en silice, même si la coquille se brise", dit Brennan Campbell. « L'incorporation de mrGO sert bien le système en maintenant les pièges à polysulfure en place. Le soufre est similaire à l'oxygène dans sa réactivité et son énergie, mais s'accompagne toujours de défis physiques, et notre nouvelle conception de cathode permet au soufre de se dilater et de se contracter, et sois attelé."