Malgré ces avantages, le déploiement des batteries Li-S a jusqu’à présent été limité, car bon nombre de ces batteries ont également une faible durée de vie et un taux d’autodécharge élevé. De plus, la densité énergétique élevée prévue des batteries Li-S devient souvent bien inférieure dans les applications réelles, en raison des vitesses élevées auxquelles elles se chargent et se déchargent.

Une réaction chimique qui joue un rôle central pour garantir la capacité élevée des batteries Li-S est la réaction dite de réduction du soufre (SRR). Cette réaction a été largement étudiée, mais ses tendances cinétiques à des taux de courant élevés restent mal comprises.

Des chercheurs de l’Université d’Adélaïde, de l’Université de Tianjin et de l’Australian Synchrotron ont récemment mené une étude visant à délimiter la tendance cinétique du SRR, afin d’éclairer le développement futur de batteries Li-S haute puissance. Leur article, publié dans Nature Nanotechnology , introduit également un électrocatalyseur nanocomposite au carbone qui s'est avéré améliorer les performances des batteries Li-S, atteignant une rétention de capacité de décharge d'environ 75 %.

"L'activité des électrocatalyseurs pour la réaction de réduction du soufre (SRR) peut être représentée à l'aide de tracés volcaniques décrivant des tendances thermodynamiques spécifiques", ont écrit Huan Li, Rongwei Meng et leurs collègues dans leur article. "Cependant, une tendance cinétique décrivant le SRR à des taux de courant élevés n'est pas encore disponible, ce qui limite notre compréhension des variations cinétiques et entrave le développement de batteries Li||S de haute puissance. En utilisant le principe de Le Chatelier comme ligne directrice, nous établissons une Tendance cinétique SRR qui corrèle les concentrations de polysulfure avec les courants cinétiques."

Pour examiner plus en détail la tendance cinétique du SRR à des courants élevés, les chercheurs ont également collecté des mesures de spectroscopie d'adsorption de rayons X synchrotron et effectué divers calculs d'orbitales moléculaires. Dans l'ensemble, leurs résultats suggèrent que l'occupation orbitale dans les catalyseurs à base de métaux de transition est liée à la concentration de polysulfure dans les batteries, et par conséquent également aux prédictions cinétiques du SRR.

Sur la base de la tendance cinétique qu'ils ont délimitée, Li, Meng et leurs collaborateurs ont conçu un nouvel électrocatalyseur nanocomposite composé d'un matériau à base de carbone et d'amas de CoZn. Ils ont ensuite intégré ce catalyseur dans une cellule de batterie Li-S et testé ses performances, en se concentrant sur ses taux de charge-décharge.

"Lorsque l'électrocatalyseur est utilisé dans une électrode positive à base de soufre (5 mg cm ⁻² de charge S), la pile bouton Li||S correspondante (avec un rapport de masse électrolyte:S de 4,8) peut être cyclée pendant 1 000 cycles à 8 °C (soit 13,4 A g_S ⁻¹ , basé sur la masse de soufre) et 25°C", ont écrit les chercheurs.

"Cette cellule démontre une rétention de capacité de décharge d'environ 75 % (capacité de décharge finale de 500 mAh g_S ⁻¹ ) correspondant à une puissance spécifique initiale de 26 120 W kg_S ⁻¹ et énergie spécifique de 1 306 Wh kg_S ⁻¹ ."

Dans l’ensemble, l’étude récente de Li, Meng et leurs collègues montre que des concentrations accrues de polysulfure favorisent une cinétique SRR plus rapide ; ainsi, des catalyseurs qui augmentent la concentration en polysulfure pourraient accélérer cette réaction. Ce résultat a été validé à la fois par des calculs théoriques et des mesures expérimentales.

S'appuyant sur leurs observations, les chercheurs ont déjà introduit un électrocatalyseur qui améliore la rétention de capacité et la stabilité cyclique d'une batterie Li-S. À l'avenir, leurs travaux pourraient inspirer la conception d'autres catalyseurs prometteurs, contribuant potentiellement au développement de nouvelles technologies de batteries Li-S haute puissance.