Batteries lithium-soufre : stocker jusqu’à 5 fois plus d’énergie que le lithium-ion

La demande de systèmes de stockage d’énergie efficaces ne cesse de croître, notamment en raison de l’émergence récente des énergies renouvelables intermittentes et de l’adoption des véhicules électriques. À cet égard, les batteries lithium-soufre (LSB), qui peuvent stocker trois à cinq fois plus d’énergie que les batteries lithium-ion traditionnelles, sont apparues comme une solution prometteuse. Cependant, cette combinaison pose des défis.

Les défis des batteries lithium-soufre

Un problème significatif est l’effet «shuttle», où les espèces intermédiaires de polysulfure de lithium (LiPS) formées pendant le cycle migrent entre l’anode et la cathode, entraînant une diminution de la capacité, une faible durée de vie et de mauvaises performances en termes de taux. D’autres problèmes incluent l’expansion de la cathode de soufre pendant l’absorption de l’ion lithium et la formation d’espèces isolantes de lithium-soufre et de dendrites de lithium pendant le fonctionnement de la batterie.

Alors que diverses stratégies, telles que les composites de cathode, les additifs d’électrolyte et les électrolytes solides, ont été employées pour relever ces défis, elles impliquent des compromis et des considérations qui limitent le développement ultérieur des LSB.

L’innovation des nanoclusters métalliques

Récemment, les nanoclusters métalliques précisément atomiques, des agrégats d’atomes métalliques allant de 1 à 3 nanomètres de taille, ont reçu une attention considérable dans la recherche sur les matériaux, y compris sur les LSB, en raison de leur haute concevabilité ainsi que de leurs structures géométriques et électroniques uniques.

Bien que de nombreuses applications appropriées pour les nanoclusters métalliques aient été suggérées, il n’y a toujours pas d’exemples de leurs applications pratiques.

Une étude collaborative prometteuse

Dans une étude collaborative récente publiée dans la revue Small, une équipe de chercheurs du Japon et de Chine, dirigée par le professeur Yuichi Negishi de l’Université des Sciences de Tokyo (TUS), a exploité la propriété de liaison de surface et l’activité redox des nanoclusters d’or (Au) dopés au platine (Pt), Au24Pt(PET)18 (PET : phényléthanethiolate, SCH2CH2Ph), comme un électrocatalyseur à haute efficacité dans les LSB.

Les chercheurs ont préparé des composites de Au24Pt(PET)18 et de nanofeuilles de graphène (G) avec une grande surface spécifique, une haute porosité et un réseau conducteur, les utilisant pour développer un séparateur de batterie qui accélère la cinétique électrochimique dans le LSB.

Des résultats prometteurs

« Les LSB assemblées à l’aide du séparateur à base de Au24Pt(PET)18@G ont arrêté les LiPS en mouvement, inhibé la formation de dendrites de lithium et amélioré l’utilisation du soufre, démontrant une excellente capacité et une stabilité de cycle », souligne le professeur Negishi de l’université de Lanzhou, en Chine.

La batterie a montré une haute capacité spécifique réversible de 1535.4 mA h g−1 pour le premier cycle à 0.2 A g−1 et une capacité de taux exceptionnelle de 887 mA h g−1 à 5 A g−1. De plus, la capacité retenue après 1000 cycles à 5 A g−1 était de 558.5 mA h g−1.

En synthèse

Ces résultats mettent en évidence les avantages de l’utilisation de nanoclusters métalliques dans les LSB. Ils comprennent une densité d’énergie améliorée, une durée de vie plus longue, des caractéristiques de sécurité améliorées et un impact environnemental réduit des LSB, les rendant plus respectueuses de l’environnement et compétitives par rapport à d’autres technologies de stockage d’énergie.

« Les LSB avec des nanoclusters métalliques peuvent trouver des applications dans les véhicules électriques, l’électronique portable, le stockage d’énergie renouvelable et d’autres industries nécessitant des solutions de stockage d’énergie avancées. De plus, cette étude devrait ouvrir la voie à des LSB tout solides avec des fonctionnalités plus nouvelles », souligne le professeur Negishi.

À l’avenir, la technologie proposée pourrait conduire à des dispositifs de stockage d’énergie plus rentables et durables. Cela aiderait à réduire les émissions de carbone et à soutenir l’adoption des énergies renouvelables, favorisant la durabilité.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que les batteries lithium-soufre (LSB) ?

Les batteries lithium-soufre (LSB) sont une technologie de stockage d’énergie prometteuse qui peut stocker trois à cinq fois plus d’énergie que les batteries lithium-ion traditionnelles. Elles utilisent le lithium comme anode et le soufre comme cathode.

2. Quels sont les défis associés aux LSB ?

Les défis comprennent l’effet «shuttle», l’expansion de la cathode de soufre pendant l’absorption de l’ion lithium et la formation d’espèces isolantes de lithium-soufre et de dendrites de lithium pendant le fonctionnement de la batterie.

3. Qu’est-ce que les nanoclusters métalliques ?

Les nanoclusters métalliques sont des agrégats d’atomes métalliques allant de 1 à 3 nanomètres de taille. Ils ont reçu une attention considérable dans la recherche sur les matériaux, y compris sur les LSB, en raison de leur haute concevabilité ainsi que de leurs structures géométriques et électroniques uniques.

4. Comment les nanoclusters métalliques sont-ils utilisés dans les LSB ?

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs a utilisé les nanoclusters d’or (Au) dopés au platine (Pt) comme un électrocatalyseur à haute efficacité dans les LSB. Ils ont préparé des composites de Au24Pt(PET)18 et de nanofeuilles de graphène (G) pour développer un séparateur de batterie qui accélère la cinétique électrochimique dans le LSB.

5. Quels sont les avantages des LSB avec des nanoclusters métalliques ?

Les avantages comprennent une densité d’énergie améliorée, une durée de vie plus longue, des caractéristiques de sécurité améliorées et un impact environnemental réduit des LSB, les rendant plus respectueuses de l’environnement et compétitives par rapport à d’autres technologies de stockage d’énergie.

Article : « Metal Nanoclusters as a Superior Polysulfides Immobilizer toward Highly Stable Lithium–Sulfur Batteries » – DOI: 10.1002/smll.202304210