La demande de dispositifs de stockage d'énergie haute performance est en plein essor. Il y a un besoin de haute densité énergétique, batteries rechargeables, que les véhicules électriques, électronique portable, et la récupération d'énergie durable sont à la hausse. Les batteries lithium-ion (Li-ion) conventionnelles sont matures mais limitées en densité énergétique, et ne satisfont pas la demande croissante de stockage d'énergie supérieur.
Batteries lithium-soufre (Li-S), avec une densité énergétique trois à cinq fois plus élevée (~2600 Wh kg -1 en théorie) que les batteries Li-ion, sont un candidat prometteur. "La densité d'énergie extrêmement élevée des batteries Li-S est due au mécanisme de réaction unique. La transformation entre le soufre et le sulfure de lithium implique une transition de phase, donnant une capacité extrêmement élevée par rapport au mécanisme d'intercalation, " dit le Dr Qiang Zhang, professeur au Département de génie chimique, Université de Tsinghua, Chine. "Dans les électrolytes aprotiques couramment utilisés, la lithiation du soufre est composée d'une conversion solide-liquide-solide. Les intermédiaires solubles, également connu sous le nom de polysulfures de lithium, lisser le processus redox et permettre une capacité cathodique élevée."
Malheureusement, intermédiaire polysulfure soluble est à la fois une bénédiction et une malédiction. Tout en contribuant à la capacité globale, la solubilité des polysulfures s'accompagne de diffusivité, entraînant une perte irréversible de soufre actif dans l'électrolyte, anode ou volumes morts.
"La décroissance de capacité causée par le détachement des polysulfures de la structure de la cathode a été un problème majeur entravant la large application des batteries Li-S. La solution habituelle pour résoudre ce problème à ce jour est de supprimer la diffusion de polysulfure, comme l'adoption d'intercalaires fonctionnels, additifs protecteurs d'anode, et de nouvelles configurations d'électrolytes, " dit Zhe Yuan, le premier auteur de cet ouvrage. "Néanmoins, le débordement des polysulfures dans l'électrolyte ne doit pas seulement être imputé à leur diffusion inévitable. La vitesse de réaction redox lente des intermédiaires polysulfures est également à blâmer. »
Zhang et ses collègues ont trouvé une analogie intrigante de débordement de polysulfure - une véritable inondation - et se sont inspirés. "Par rapport au blocage du déluge avec des remblais, creuser et élargir des canaux ou des canaux sont des approches apparemment plus efficaces pour atténuer les inondations, " dit Qiang. " De même, accélérer la réaction redox du polysulfure, qui est à l'origine lent, supprime la barrière de la consommation de polysulfure, et soulage donc les effets néfastes induits par l'accumulation de polysulfure dans l'électrolyte."
L'équipe a découvert que c'était l'incompatibilité entre les molécules polaires de polysulfure de lithium et les échafaudages cathodiques en nanocarbone couramment utilisés qui limitait la réactivité redox. Les matériaux nanocarbonés sont excellents pour les batteries Li-S car ils sont très conducteurs et poreux. Mais leur caractéristique de surface non polaire ne favorise pas la fixation par des polysulfures hétéropolaires, "Dans ce sens, nous avons émis l'hypothèse qu'il serait avantageux d'ajouter une substance polaire à haute affinité pour les polysulfures dans la charpente cathodique, et il s'est avéré être vrai, " dit Zhe.
L'additif magique est le disulfure de cobalt (CoS
