Une équipe dirigée par le professeur Cheong Ying Chan de l’Institut de l’énergie de l’Université des sciences et de la technologie de Hong Kong (HKUST), a proposé un nouveau concept de conception de cathode pour la batterie lithium-soufre (Li-S) qui améliore considérablement les performances de ce type de batterie prometteuse de prochaine génération. Un article sur leurs travaux est publié dans la revue Nature Nanotechnology.
La cathode est composée de nanoparticules de ZnS uniformément intégrées et d’un catalyseur à atome unique Co-N-C pour former des sites de liaison à double extrémité à l’intérieur d’un hôte macroporeux hautement orienté, qui peut immobiliser efficacement et convertir catalytiquement les intermédiaires de polysulfure pendant le cycle, éliminant ainsi l’effet de navette et la corrosion du lithium métallique.
Les macropores ordonnés améliorent le transport ionique sous une charge élevée en soufre en formant des frontières triphasées suffisantes entre le catalyseur, le support conducteur et l’électrolyte. Cette conception empêche la formation de soufre inactif (soufre mort).
Notre structure cathodique présente des performances améliorées dans une configuration de cellule à poche sous une charge élevée en soufre et un fonctionnement en électrolyte pauvre. Une cellule à poche de niveau 1-A-h avec seulement un excès de lithium de 100% peut fournir une énergie spécifique de cellule de >300 W h kg-1 avec une efficacité coulombienne >95% pour 80 cycles.
-Zhao et al.
Stratégie de conception de l’hôte macroporeux avec des sites de liaison à double extrémité. Crédit : HKUST
Les batteries Li-S peuvent potentiellement offrir une densité d’énergie de plus de 500 Wh/kg, nettement meilleure que les batteries Li-ion qui atteignent leur limite à 300 Wh/kg. La densité d’énergie plus élevée signifie que l’autonomie d’environ 400 km d’un véhicule électrique alimenté par des batteries Li-ion peut être considérablement étendue à 600-800 km (373 à 497 miles) s’il est alimenté par des batteries Li-S.
Bien que des résultats passionnants sur les batteries Li-S aient été obtenus par des chercheurs du monde entier, il y a encore un grand écart entre la recherche en laboratoire et la commercialisation de la technologie à l’échelle industrielle. L’un des problèmes clés est l’effet de navette polysulfure des batteries Li-S qui provoque une fuite progressive de la matière active de la cathode et la corrosion du lithium, ce qui entraîne un cycle de vie court pour la batterie. D’autres défis comprennent la réduction de la quantité d’électrolyte dans la batterie tout en maintenant une performance stable de la batterie.
Pour résoudre ces problèmes, l’équipe du professeur Zhao a collaboré avec des chercheurs internationaux pour proposer un concept de conception de cathode qui pourrait atteindre une bonne performance de batterie Li-S.
Leur hôte macroporeux hautement orienté peut accueillir uniformément le soufre tandis que des sites actifs abondants sont intégrés à l’intérieur de l’hôte pour absorber étroitement le polysulfure, éliminant l’effet de navette et la corrosion du lithium métallique.
En apportant un principe de conception pour une cathode de soufre dans les batteries Li-S, l’équipe conjointe a augmenté la densité énergétique des batteries et a fait un grand pas vers l’industrialisation des batteries.
Nous sommes encore au milieu de la recherche fondamentale dans ce domaine. Cependant, notre nouveau concept de conception d’électrode et la percée associée en termes de performance représentent un grand pas vers l’utilisation pratique d’une batterie de prochaine génération qui est encore plus puissante et plus durable que les batteries lithium-ion actuelles.
-Prof. Zhao
Les membres de l’équipe de HKUST comprennent le professeur Zhao et ses étudiants en doctorat actuels ZHAO Chen, ZHANG Leicheng, et l’ancien étudiant en doctorat REN Yuxun (diplômé de 2019). Parmi les autres collaborateurs figurent des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne et de l’Université de Stanford aux États-Unis, de l’Université de Xiamen en Chine continentale et de l’Université Imam Abdulrahman Bin Faisal en Arabie saoudite.