La technologie actuelle des batteries lithium-ion n’a pas la densité énergétique nécessaire pour répondre à la demande d’énergie renouvelable. En théorie, les batteries lithium-soufre pourraient constituer une alternative viable avec une capacité spécifique et une densité énergétique plus élevées. Cependant, le soufre présente des inconvénients qui limitent actuellement son adoption pratique.
Une revue complète publiée dans Nano Research décrit comment les matériaux cathodiques à base de structure métallo-organique pourraient améliorer les performances des batteries lithium-soufre, ce qui en ferait une alternative pratique aux batteries lithium-ion.
"L'application de batteries lithium-soufre de haute performance est encore entravée par certains problèmes majeurs, conduisant à une capacité pratique et une stabilité de cyclage inacceptables", a déclaré Weihua Chen, chercheur à l'Université de Zhengzhou.
"Premièrement, la faible conductivité électrique du soufre et celle des produits en décharge augmentent considérablement une certaine résistance interne des batteries, limitant l'efficacité d'utilisation des matériaux actifs. En outre, une expansion volumétrique importante des cathodes de soufre après le processus de lithiation provoque la pulvérisation structurelle des électrodes. "
Avec ces limitations, les batteries lithium-soufre présentent des problèmes de sécurité, ainsi que des problèmes de performances, qui empêchent actuellement leur adoption à grande échelle.
Des cathodes de soufre avancées fabriquées à partir de structures métallo-organiques pourraient être la solution. Les structures métallo-organiques sont généralement constituées d'un ion/amas métallique et possèdent des propriétés uniques telles qu'une porosité élevée, une taille de pores réglable et une structure de pores contrôlable.
Les structures organométalliques vierges n'ont pas encore été adoptées dans les batteries lithium-soufre en raison d'une mauvaise conductivité électrique et d'une stabilité structurelle insuffisante ; cependant, des études récentes ont montré comment les structures métallo-organiques peuvent être combinées avec des matériaux conducteurs, tels que le graphène, les nanotubes de carbone et certains polymères.
"En raison de leur microstructure poreuse, de leur très grande surface spécifique accessible et de leur groupe de fonctions réglable, les matériaux à base de structure métallo-organique ont retenu l'attention des chercheurs en tant qu'hôtes cathodiques potentiels pour les batteries lithium-soufre et ont fait des progrès significatifs. En particulier, Les matériaux à structure métallo-organique pourraient limiter efficacement la dissolution et la diffusion du polysulfure dans les électrolytes", a déclaré Chen.
Cette revue des articles publiés a examiné les structures métallo-organiques vierges, différents composites métallo-organiques et leurs dérivés métallo-organiques. Ces composants métalliques et organiques inorganiques inchangés ont des structures cristallographiques et se révèlent prometteurs pour le stockage du soufre actif. Cependant, la plupart d'entre eux n'ont pas la conductivité nécessaire pour un fonctionnement efficace de la batterie.
Les composites à structure métallo-organique améliorent les propriétés des structures métallo-organiques, améliorant ainsi la conductivité et renforçant la stabilité structurelle. Le graphène, les nanotubes de carbone et les polymères conducteurs sont tous des options viables pour améliorer les limites des structures organométalliques vierges. Une autre alternative consiste à utiliser des matériaux dérivés de structures métallo-organiques ou de dérivés de structures métallo-organiques.
Par exemple, les matériaux carbonés dérivés d'une structure métallo-organique peuvent faciliter les transferts d'électrons et d'ions et résoudre les problèmes d'expansion de volume rencontrés dans les cathodes de soufre, mais pourraient compromettre la structure de la structure métallo-organique. Des recherches sont en cours pour déterminer comment ces différents matériaux pourraient être améliorés et mieux utilisés dans les batteries lithium-soufre.
Pour l'avenir, les chercheurs continuent d'explorer comment les matériaux à base de structures métallo-organiques et leurs caractéristiques uniques peuvent améliorer les performances des batteries lithium-soufre.
« Les matériaux à structure métallo-organique apparaissent comme des matériaux prometteurs pour les cathodes au soufre pour les batteries lithium-soufre. Malgré des progrès significatifs ces dernières années, il reste encore des défis à surmonter pour la commercialisation des batteries lithium-soufre. Il faudra du temps et des efforts pour y parvenir. parvenir à une application pratique des matériaux à structure métallo-organique dans les batteries lithium-soufre, mais cette étude pourrait offrir des orientations utiles pour le développement futur de ces matériaux », a déclaré Chen.
Plus d'informations : Zhengkun Xie et al, Matériaux cathodiques à base de structures organiques métalliques pour batteries Li-S avancées :une revue complète, Nano Research (2024). DOI :10.1007/s12274-024-6481-0
Informations sur le journal : Nanorecherche
Fourni par Tsinghua University Press
