Les systèmes de stockage d'énergie à haute densité énergétique sont essentiels pour répondre aux exigences toujours croissantes des appareils électroniques, véhicules électriques, et les réseaux intelligents pour l'énergie solaire ou éolienne intermittente. La batterie Lithium-soufre (Li-S) est un candidat prometteur pour le stockage d'énergie de nouvelle génération, avec une densité énergétique théorique extrêmement élevée, cinq à sept fois supérieure à celle des LIB classiques.

Cependant, un certain nombre d'obstacles entravent les applications pratiques des batteries Li-S. L'un des problèmes majeurs est la diffusion des intermédiaires polysulfures à partir de la cathode, ce qui provoque la perte irréversible de matières actives et la baisse de capacité. Le nanocarbone avec une surface non polaire en tant que matériaux de cathode ne peut pas fournir des effets de liaison et de confinement suffisants pour maintenir les polysulfures à l'intérieur de la cathode. De plus, le mauvais contact électrochimique causé par la faible combinaison entre les polysulfures actifs et le nanocarbone empêche également le cycle rapide et régulier des cellules Li-S.

"Le dopage hétéroatome est considéré comme une voie prometteuse pour l'adsorption et l'immobilisation des intermédiaires polysulfures, " dit le professeur Qiang Zhang, un chercheur de l'Université Tsinghua, Chine. "Toutefois, l'origine de l'effet d'ancrage apporté par les hétéroatomes n'est toujours pas claire, ce qui limite largement l'amélioration de l'adsorption des polysulfures et la conception rationnelle des matériaux cathodiques."

Plus récemment, Le professeur Q. Zhang et ses collègues de l'Université Tsinghua ainsi que le professeur B. Li de l'Institute of Metal Research ont rapporté une étude théorique sur la capacité d'une série de matériaux nanocarbonés dopés à piéger les polysulfures. Il a montré qu'en formant une "liaison lithium" (un analogue de la "liaison H"), la modification chimique utilisant un dopant N ou O améliore considérablement l'interaction entre l'hôte carboné et les invités polysulfures et empêche ainsi efficacement la navette des polysulfures.

"Pour la première fois, nous avons mené un processus de criblage chimique quantique parallèle pour sélectionner les éléments dopants les plus efficaces qui aident à confiner les polysulfures." Tingzheng Hou, dit le premier auteur. "Il s'est avéré que le dopage N et O dans les matériaux nanocarbonés peut former une forte interaction électrostatique dipôle-dipôle, qui a été pour la première fois identifiée comme l'interaction dominante entre les nanocarbones dopés et les polysulfures de lithium, tandis que F, B, P, Les dopants S et Cl étaient incapables de former ça."

Les travaux expérimentaux rapportés par d'autres chercheurs concordaient avec ce résultat prédictif. Par exemple, l'électrode en papier de graphène dopé N présentait une capacité spécifique élevée d'environ 1000 mAh g ^-1 après 100 cycles et une excellente efficacité coulombienne de 98 pour cent pour la cellule Li-S de type catholyte. Une durée de vie très prolongée de plus de 2000 cycles et un taux de chute de capacité extrêmement faible de 0,028 % par cycle peuvent ainsi être atteints.

"Pour obtenir l'effet de couple fort vis-à-vis des polysulfures, nous avons proposé un ensemble de règles pour la conception rationnelle des échafaudages en carbone dopé dans les batteries Li-S sur la base de notre calcul, " dit Hou, « Avec ces conditions remplies, le carbone dopé pourrait offrir un dipôle fort avec une élection de paire isolée pour former une forte interaction dipôle-dipôle électrostatique avec des polysulfures et améliorer l'interaction. Le facteur clé est l'électronégativité des atomes dopants."

Pour élucider l'importance de l'électronégativité, Qiang et ses collègues ont proposé une relation implicite d'intrigue volcanique corrélant l'électronégativité des atomes de dopage aux énergies d'adsorption pour faire la lumière sur la formation du fort effet d'ancrage. Cette relation offre une nouvelle compréhension du criblage et de la conception rationnelle de matériaux nanocarbonés dopés pour l'immobilisation des polysulfures.

"Si nous allons plus loin des règles et du complot du volcan pour chercher une percée au-delà de la limite maximale du mono-dopage, il existe des nanomatériaux codopants dans lesquels deux dopants ou plus adjacents l'un à l'autre renforcent de manière synergique le moment dipolaire et offrent une affinité encore meilleure aux polysulfures », a déclaré le professeur Qiang. Dans un avenir proche, ils étudieront plus en détail l'effet de synergie du codopage et exploreront la possibilité d'améliorer davantage les interactions interfaciales dans l'interface cathodique.