Les chercheurs ont fait un pas de furthermore vers la réalisation de batteries à semi-conducteurs à foundation de lithium et de soufre. Une équipe dirigée par des ingénieurs de l#39Université de Californie à San Diego a développé un nouveau matériau de cathode pour les batteries lithium-soufre à semi-conducteurs qui est électriquement conducteur et structurellement réparable – des caractéristiques qui surmontent les limites des cathodes actuelles de ces batteries.
Les travaux ont été publiés dans la revue Character le 6 mars.
Les batteries lithium-soufre à l#39état solide sont un type de batterie rechargeable composée d#39un électrolyte solide, d#39une anode en lithium métallique et d#39une cathode en soufre. Ces batteries sont prometteuses en tant qu’alternative supérieure aux batteries lithium-ion actuelles, automobile elles offrent une densité énergétique accrue et des coûts inférieurs. Elles ont le potentiel de stocker jusqu#39à deux fois in addition d#39énergie par kilogramme que les batteries lithium-ion conventionnelles. En d#39autres termes, elles pourraient doubler l#39autonomie des véhicules électriques sans augmenter le poids de la batterie. De as well as, l’utilisation de matériaux abondants et faciles à trouver en fait un choix économiquement feasible et as well as respectueux de l’environnement.
Cependant, le développement des batteries lithium-soufre à l’état solide a toujours été entravé par les caractéristiques inhérentes des cathodes au soufre. Non seulement le soufre est un mauvais conducteur électronique, mais les cathodes de soufre subissent également une expansion et une contraction significatives pendant la demand et la décharge, entraînant des dommages structurels et une diminution du call avec l#39électrolyte solide. Ces problèmes diminuent collectivement la capacité de la cathode à transférer la demand, compromettant ainsi les performances globales et la longévité de la batterie à semi-conducteurs.
Pour surmonter ces défis, une équipe dirigée par des chercheurs du Sustainable Electrical power and Power Middle de l#39UC San Diego a développé un nouveau matériau cathodique : un cristal composé de soufre et d#39iode. En insérant des molécules d#39iode dans la construction cristalline du soufre, les chercheurs ont considérablement augmenté la conductivité électrique du matériau cathodique de 11 ordres de grandeur, le rendant 100 milliards de fois in addition conducteur que les cristaux constitués uniquement de soufre.
« Nous sommes très enthousiasmés par la découverte de ce nouveau matériau », a déclaré Ping Liu, co-auteur principal de l#39étude, professeur de nano-ingénierie et directeur du Sustainable Electric power and Energy Heart de l#39UC San Diego. « L#39augmentation drastique de la conductivité électrique du soufre est une shock et scientifiquement très intéressante. »
De additionally, le nouveau matériau cristallin possède un point de fusion bas de 65 degrés Celsius (149 degrés Fahrenheit), ce qui est inférieur à la température d#39une tasse de café chaude. Cela signifie que la cathode peut être facilement refondue une fois la batterie chargée pour réparer les interfaces endommagées par le cycle. Il s#39agit d#39une caractéristique importante pour remédier aux dommages cumulatifs qui se produisent à l#39interface solide-solide entre la cathode et l#39électrolyte lors de charges et décharges répétées.
« Cette cathode à l#39iodure de soufre présente un principle exclusive pour gérer certains des principaux obstacles à la commercialisation des batteries Li-S », a déclaré Shyue Ping Ong, co-auteur principal de l#39étude, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs University of Engineering de l#39UC San Diego. « L#39iode perturbe les liaisons intermoléculaires qui maintiennent les molécules de soufre ensemble juste ce qu#39il faut pour abaisser son stage de fusion jusqu#39à la zone Boucle d#39or – au-dessus de la température ambiante mais suffisamment bas pour que la cathode soit périodiquement guérie par fusion. »
« Le faible level de fusion de notre nouveau matériau cathodique rend probable la réparation des interfaces, une alternative recherchée depuis longtemps pour ces batteries », a déclaré Jianbin Zhou, co-leading auteur de l#39étude, ancien chercheur postdoctoral en nano-ingénierie du groupe de recherche de Liu. « Ce nouveau matériau constitue une option habilitante pour les futures batteries à semi-conducteurs à haute densité énergétique. »
Pour valider l#39efficacité du nouveau matériau cathodique, les chercheurs ont construit une batterie de take a look at et l#39ont soumise à des cycles répétés de cost et de décharge. La batterie est restée stable pendant moreover de 400 cycles tout en conservant 87 % de sa capacité.
« Cette découverte a le potentiel de résoudre l#39un des in addition grands défis liés à l#39introduction des batteries lithium-soufre à l#39état solide en augmentant considérablement la durée de vie utile d#39une batterie », a déclaré Christopher Brooks, co-auteur de l#39étude et scientifique en chef au Honda Investigation Institute United states. Inc. « La capacité d#39une batterie à s#39vehicle-réparer simplement en augmentant la température pourrait prolonger considérablement le cycle de vie full de la batterie, créant ainsi une voie potentielle vers une application réelle des batteries à semi-conducteurs. »
L’équipe travaille à faire progresser la technologie des batteries lithium-soufre à l’état solide en améliorant la conception procedure des cellules et en augmentant le format des cellules.
« Bien qu#39il reste beaucoup à faire pour fournir une batterie solide viable, notre travail constitue une étape importante », a déclaré Liu. « Ce travail a été rendu feasible grâce à d#39excellentes collaborations entre nos équipes de l#39UC San Diego et nos partenaires de recherche dans les laboratoires nationaux, les universités et l#39industrie. »
Ce travail a été soutenu en partie par l’Advanced Study Initiatives Agency-Energy du Département américain de l’énergie (DOE) (DE-AR0000781) et le Bureau scientifique du DOE des États-Unis (DEAC02-05-CH11231).
Divulgations : Ping Liu et Jianbin Zhou rapportent une demande de brevet provisoire aux États-Unis déposée le 13 février 2023, n° de série _63/484 659, basée sur ces travaux.
- Des chercheurs ont développé un nouveau matériau de cathode pour les batteries lithium-soufre à semi-conducteurs.
- Ce nouveau matériau cristallin composé de soufre et d'iode permet une conductivité électrique drastiquement augmentée.
- La cathode peut être facilement refondue une fois la batterie chargée, permettant ainsi de réparer les dommages cumulatifs survenant à l'interface solide-solide.
