Amélioration des batteries avec le soufre et les nanoparticules de carbone

Des  smartphones aux e-bikes, le nombre de dispositifs électroniques mobiles ne cesse de croître partout dans le monde.

En conséquence, il y a un besoin accru pour les batteries qui sont petites et légères, mais puissantes. Comme le potentiel pour l’amélioration supplémentaire des batteries à  lithium-ion est presque épuisé, les experts se tournent maintenant vers un dispositif de stockage d’énergie nouvelle et prometteuse: les batteries à base de lithium-soufre. Dans une étape importante vers la poursuite du développement de ce type de batterie, une équipe dirigée par le professeur Thomas Bein de LMU de Munich et Linda Nazar de l’Université de Waterloo au Canada a développé des nanoparticules de carbone poreux qui utilisent des molécules de soufre pour atteindre la plus grande efficacité possible.
Dans les prototypes de la batterie au lithiumsoufre, les ions lithium sont échangés entre les électrodes construites en  lithium et le soufre de carbone.

Le soufre joue un rôle particulier dans ce système: Dans des circonstances optimales, il peut absorber deux ions de lithium par atome de soufre. Il est donc un matériau excellent bilan énergétique de stockage en raison de son faible poids. En même temps, le soufre est un mauvais conducteur, ce qui signifie que les électrons ne peuvent être transportés avec beaucoup de difficulté pendant le chargement et le déchargement.

Afin d’améliorer la conception de cette batterie des scientifiques de nanosystèmes Initiative Munich (NIM) s’efforcent de générer des phases de soufre, avec la zone d’interface plus possible pour le transfert d’électrons en les unissant avec un matériau conducteur nano structuré.
À cette fin, Thomas Bein et son équipe de NIM ont  d’abord développé un réseau de nanoparticules à base de carbone poreux.

Les nanoparticules ont des  pores larges de 3 – à 6 nanomètres, permettant au soufre d’être réparti également. De cette façon, la quasi-totalité des atomes de soufre sont disponibles pour accepter des ions lithium. En même temps, ils sont également situés près du carbone la conductrice.
« Le soufre est très accessible électriquement dans ces nouvelles nanoparticules de carbone hautement poreux et est stabilisé afin que nous puissions obtenir une grande capacité initiale de 1200 mAh / g et la bonne stabilité du cycle », explique Thomas Bein. « Nos résultats soulignent l’importance de la nano-morphologie pour l’exécution de nouveaux concepts de stockage d’énergie. »
La structure en carbone réduit également le soi-disant problème polysulfure.

Les polysulfures forment en tant que produits intermédiaires des procédés électrochimiques et peuvent avoir un impact négatif sur le chargement et le déchargement de la batterie. Le réseau de carbone se lie aux polysulfures, cependant, jusqu’à leur conversion au sulfure souhaité dilithium est atteinte. Les scientifiques sont également en mesure de recouvrir la matière carbonée d’une couche mince d’oxyde de silicium qui protège contre les polysulfures sans réduire la conductivité.
Par ailleurs, les scientifiques ont également établi un record avec leur nouveau matériel: Selon les dernières données, leur matériel a le plus grand volume interne des pores (2,32 cm3 / g) de tous les nanoparticules de carbone méso poreux, et une très grande surface de 2445 m2 / g. Ce qui correspond à peu près à un objet avec le volume d’un cube de sucre et la surface de dix courts de tennis.

De grandes surfaces comme celles-ci pourraient bientôt être cachées à l’intérieur de nos batteries.