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Les batteries au lithium-soufre peuvent potentiellement stocker cinq à dix fois plus d’énergie que les batteries lithium-ion de pointe actuelles, à un coût bien inférieur. Les batteries lithium-ion actuelles utilisent de l'oxyde de cobalt comme cathode, un minéral coûteux extrait de manière à nuire aux personnes et à l'environnement. Les batteries au lithium-soufre remplacent l’oxyde de cobalt par du soufre, qui est abondant et bon marché, coûtant moins d’un centième du prix du cobalt.
Mais il y a un piège : les réactions chimiques, en particulier la réaction de réduction du soufre, sont très complexes et mal comprises, et des réactions secondaires indésirables pourraient mettre fin à la durée de vie des batteries bien avant celle des batteries traditionnelles.
Aujourd’hui, des chercheurs dirigés par les chimistes de l’UCLA Xiangfeng Duan et Philippe Sautet ont décrypté les voies clés de cette réaction. Ces résultats, présentés dans un article publié dans la revue Natureaidera à affiner la réaction pour améliorer la capacité et la durée de vie de la batterie.
La réaction de réduction du soufre dans une batterie lithium-soufre implique 16 électrons pour convertir une molécule cyclique de soufre à huit atomes en sulfure de lithium dans un réseau de réaction catalytique avec de nombreuses branches entrelacées et différents produits intermédiaires appelés polysulfures de lithium et de nombreux autres sous-produits. Parce qu'il s'agit d'une réaction très complexe, avec de nombreux chemins qui se séparent les uns des autres et de nombreux produits intermédiaires importants pour la poursuite de la réaction, il a été difficile à étudier et encore plus difficile de déterminer quelles parties de la réaction cibler pour améliorer les performances de la batterie. .
« Malgré des efforts considérables consacrés à l'amélioration des performances apparentes des batteries lithium-soufre, le mécanisme réactionnel fondamental reste incertain », a déclaré Duan, auteur correspondant et professeur de chimie et de biochimie à l'UCLA. « La branche principale de ce réseau de réactions pour la réaction de réduction du soufre reste un sujet de débat considérable. »
Un problème particulièrement intéressant est une réaction secondaire dans laquelle les intermédiaires polysulfures migrent, appelés navettes, vers l'anode de lithium métallique et réagissent avec elle, consommant à la fois du soufre et du lithium et entraînant une perte d'énergie et une capacité de stockage rapidement réduite. Une identification claire des intermédiaires clés et une meilleure compréhension de la manière dont ces intermédiaires sont produits ou consommés aideraient les scientifiques à contrôler cette migration entre les électrodes et à minimiser le gaspillage de soufre et de lithium.
La nouvelle étude déchiffre pour la première fois l’ensemble du réseau réactionnel, détermine la voie moléculaire dominante et dévoile le rôle critique de l’électrocatalyse dans la modification de la cinétique de la réaction.
L’équipe a d’abord utilisé des calculs théoriques pour cartographier toutes les voies de réaction possibles et les intermédiaires associés, puis des analyses électrochimiques et spectroscopiques pour valider les résultats informatiques.
Les performances de la batterie étaient dominées par le Li2S4 car le principal intermédiaire et la catalyse se sont révélés cruciaux pour convertir complètement le Li2S4 au produit de décharge final (Li2S). Des électrodes à base de carbone dopées au soufre et à l’azote peuvent faciliter efficacement cette conversion. Leur étude a également révélé que le Li intermédiaire2S6 ne participe pas directement au processus électrochimique mais est présent comme produit majeur des réactions chimiques secondaires et contribue de manière significative à l'effet de navette indésirable du polysulfure.
« Notre étude fournit une compréhension fondamentale de la réaction de réduction du soufre dans les batteries lithium-soufre et démontre qu'un matériau d'électrode catalytique correctement conçu peut accélérer les réactions de charge et de décharge, atténuer les réactions secondaires et améliorer la durée de vie », a déclaré Duan, qui a Décembre a été choisi comme boursier 2023 par la National Academy of Inventors.
« La combinaison de la technologie des batteries et de la science de la catalyse ouvre de nouvelles voies pour des dispositifs de conversion d'énergie rapides et de grande capacité », a déclaré Sautet, titulaire de la chaire d'excellence Levi James Knight, Jr. Term.
Ce travail a été soutenu par le Center for Synthetic Control Across length-scales for Advancing Rechargeables, un centre de recherche sur les frontières énergétiques financé par le programme Basic Energy Sciences du Département américain de l'énergie.
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