Les batteries à haute densité énergétique sont essentielles pour répondre à la demande d'applications futures dans l'électronique portable et les véhicules électriques. En raison de la densité énergétique théorique de 2600 Wh/kg, la batterie lithium-soufre est considérée comme un candidat prometteur pour la prochaine génération, solutions de batteries à haute énergie. Cependant, les défauts de dégradation rapide de la capacité et de faible efficacité de cyclage n'ont pas été résolus, ce qui entrave l'application pratique du système de batterie au lithium-soufre. Un chercheur de l'Université de Tsinghua a proposé un système de séparation à couches ternaires pour les batteries lithium-soufre à longue durée de vie, haute efficacité coulombienne, et une utilisation élevée du soufre.
"Une nouvelle génération de batteries lithium-soufre rechargeables repose sur la chimie redox par transfert multi-électrons, " a déclaré le Dr Qiang Zhang de l'Université Tsinghua à Phys.Org. " À l'exception de la densité d'énergie élevée, Les batteries lithium-soufre présentent des avantages par rapport aux batteries lithium-ion de routine, telles qu'un matériau de cathode bon marché et des performances opérationnelles à basse température. »
Malgré l'avantage des systèmes lithium-soufre, il existe un effet navette inhérent des intermédiaires polysulfures dans une pile lithium-soufre. "De tels effets de navette provoquent une faible efficacité coulombienne et induisent une dégradation de la capacité via la consommation de soufre actif et la réaction chimique interne, " a déclaré le Dr Jia-Qi Huang, professeur agrégé à l'Université Tsinghua.
Ce groupe de recherche a fait de gros efforts vers un séparateur sélectif d'ions pour les cellules lithium-soufre. Basé sur le confinement physique et la répulsion électrostatique, les chercheurs ont recouvert la surface des séparateurs polymères de routine avec des nanofeuilles d'oxyde de graphène (GO) ultrafines, puis y ont coulé une fine couche de Nafion. "Dans la structure du séparateur à couches ternaires, le séparateur macroporeux en polypropylène sert de couche matricielle et assure la résistance mécanique du séparateur. Les feuilles GO formaient une couche avec de petits canaux pour le transport des ions lithium et servaient de couche barrière compacte avec des groupes fonctionnels oxygénés pour ancrer Nafion. De cette façon, nous pouvons réduire considérablement la charge surfacique de la couche retardatrice de Nafion et maintenir la permsélectivité des ions lithium contre les anions polysulfure. La répulsion électrostatique et l'effet sélectif de la taille sont tous deux efficaces avec cette stratégie", a déclaré Ting-Zhou Zhuang, un candidat à la maîtrise dans le groupe de recherche.
Au total, la couche de charge fonctionnelle sur le séparateur de routine n'est que de 0,053 mg cm -2 . Lorsque le séparateur ternaire est intégré aux batteries lithium-soufre, la capacité de décharge a été améliorée de 969 à 1057 mAh g -1 ; l'efficacité coulombienne est passée de 80 à 95 % sans l'additif LiNO3; le taux de décroissance a été réduit de 0,34 % à 0,18 % en 200 cycles ; et l'autodécharge a été inhibée. L'utilisation du soufre a atteint 73% avec une charge de soufre élevée de 4,0 mg cm -2 .
« La modification de la membrane s'est avérée être une méthode efficace pour les batteries lithium-soufre. La structure de la membrane ternaire utilise au mieux chaque élément constitutif, et le séparateur composite multicouche est plus efficace qu'un séparateur monocouche. Cette stratégie ouvre de nouvelles opportunités dans le développement d'un séparateur multifonctionnel vers de meilleures batteries », a déclaré Qiang Zhang.
Un séparateur ternaire de preuve de concept d'un PP/GO/Nafion en couches a été conçu de manière rationnelle, fabriqué, et appliqué dans les batteries Li-S avec une meilleure utilisation du soufre, efficacité coulombienne, et longue durée de vie à vélo. Ce travail propose un concept de système ternaire, dans lequel la combinaison rationnelle de briques élémentaires dans des structures hiérarchiques était indispensable pour démontrer pleinement leurs rôles dans le système ternaire à multi-fonctions et multi-applications.
