Quand la silice accroît la durée de vie des batteries au lithium-soufre

L’augmentation considérable de l’utilisation de la technologie mobile, de l’électronique portable et d’une large gamme d’appareils portables en général au cours des dernières décennies a poussé les scientifiques du monde entier à rechercher la prochaine percée dans le domaine des piles rechargeables. Les batteries au lithium-soufre (LSB) – composées d’une cathode à base de soufre et d’une anode de lithium submergée dans un électrolyte liquide – sont des candidats prometteurs pour remplacer l’omniprésente batterie au lithium-ion en raison de leur faible coût et de la non-toxicité et de l’abondance du soufre. Cependant, l’utilisation du soufre dans les batteries est délicate pour deux raisons. Premièrement, pendant le cycle de « décharge », des polysulfures de lithium solubles (LiPS) se forment à la cathode, se diffusent dans l’électrolyte et atteignent facilement l’anode, où ils dégradent progressivement la capacité de la batterie. Deuxièmement, le soufre n’est pas conducteur. Ainsi, un matériau hôte conducteur et poreux est nécessaire pour accueillir le soufre et simultanément piéger les LiPS à la cathode. Dans un passé récent, des structures hôtes à base de carbone ont été explorées en raison de leur conductivité. Cependant, les hôtes à base de carbone ne peuvent pas piéger le LiPS. Dans une étude récente publiée dans Advanced Energy Materials, des scientifiques de l’Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk ont proposé une nouvelle structure hôte appelée « silice mésoporeuse ordonnée en plaquettes (pOMS)« . Ce qui est inhabituel dans leur choix, c’est que la silice, un oxyde métallique peu coûteux, est en fait non conductrice. Cependant, la silice est très polaire et attire d’autres molécules polaires telles que les LiPS. Après application d’un agent conducteur à base de carbone sur la structure de la pOMS, le soufre solide initial dans les pores de la structure se dissout dans l’électrolyte, d’où il diffuse ensuite vers l’agent conducteur à base de carbone pour être réduit afin de générer du LiPS. De cette manière, le soufre participe efficacement aux réactions électrochimiques nécessaires malgré la non-conductivité de la silice. En même temps, la nature polaire des pOMS garantit que le LiPS reste proche de la cathode et éloigné de l’anode. Les scientifiques ont également construit une structure hôte analogue, non polaire et hautement conductrice, en carbone poreux conventionnel, afin de mener des expériences comparatives avec la structure pOMS. Le professeur Jong-Sung Yu, qui a dirigé l’étude, remarque : « La batterie avec le carbone hôte présente une capacité initiale élevée qui chute rapidement en raison de la faible interaction entre le carbone non polaire et le LiPS. La structure de la silice retient clairement beaucoup plus de soufre pendant les cycles continus, ce qui se traduit par une rétention de capacité et une stabilité beaucoup plus importantes sur pas moins de 2000 cycles« . Pourtant, tout cela considéré, l’idée la plus importante à tirer de cette étude est peut-être que les structures hôtes des LSB n’ont pas besoin d’être aussi conductrices qu’on le pensait auparavant. Commentaire du professeur Yu : « Nos résultats sont surprenants, car personne n’aurait jamais pensé que la silice non conductrice pouvait être un hôte de soufre très efficace et même surpasser les hôtes de carbone de pointe« . Cette étude élargit la sélection de matériaux hôtes pour les LSB et pourrait conduire à un changement de paradigme dans la réalisation des batteries au soufre de la prochaine génération. Legende / Crédit DGIST : La silice, l’un des oxydes métalliques les plus abondants, est peu coûteuse, facile à traiter et pourrait devenir un composant clé des piles rechargeables de la prochaine génération.

Reference

Authors: Byong-June Lee1, Tong-Hyun Kang1, Ha-Young Lee1, Jitendra S. Samdani1, Yongju Jung2, Chunfei Zhang3, Zhou Yu4, Gui-Liang Xu4, Lei Cheng4, Seoungwoo Byun1, Yong Min Lee1, Khalil Amine4,5*, and Jong-Sung Yu1*

Title of original paper:
Revisiting the Role of Conductivity and Polarity of Host Materials for Long-Life Lithium-Sulfur Battery
Journal: Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.201903934