Des chimistes décryptent un processus de réaction qui pourrait améliorer les batteries lithium-soufre
La combinaison de la technologie des batteries et de la catalyse ouvre de nouvelles voies pour la mise au point de batteries bon marché et de grande capacité
Les batteries lithium-soufre peuvent potentiellement stocker cinq à dix fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion actuelles, à un coût nettement inférieur. Les batteries lithium-ion actuelles utilisent de l'oxyde de cobalt comme cathode, un minerai coûteux dont l'exploitation nuit à l'homme et à l'environnement. Les batteries 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 hic : 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 Xiangfeng Duan et Philippe Sautet, chimistes à l'UCLA, ont décrypté les principales voies de cette réaction. Ces résultats, décrits dans un article publié dans la revue Nature, permettront d'affiner la réaction afin d'améliorer la capacité et la durée de vie des batteries.
La réaction de réduction du soufre dans une batterie lithium-soufre implique 16 électrons pour convertir une molécule de l'anneau 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 beaucoup d'autres sous-produits. En raison de la complexité de cette réaction, qui comporte de nombreuses ramifications et de nombreux produits intermédiaires importants pour la poursuite de la réaction, il a été difficile de l'étudier et encore plus de déterminer les parties de la réaction à cibler pour améliorer les performances des piles.
"Malgré les efforts considérables déployés pour améliorer les performances apparentes des batteries lithium-soufre, le mécanisme de réaction fondamental n'est toujours pas élucidé", explique Duan, auteur correspondant et professeur de chimie et de biochimie à l'UCLA. "La branche principale de ce réseau de réaction 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 polysulfurés migrent, ce que l'on appelle la navette, vers l'anode de lithium métal et réagissent avec elle, consommant à la fois du soufre et du lithium et entraînant une perte d'énergie et une réduction rapide de la capacité de stockage. 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 décrypte 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 des calculs.
La performance de la batterie était dominée par le Li2S4 en tant que principal intermédiaire et la catalyse s'est avérée cruciale pour convertir complètement le Li2S4 en produit de décharge final (Li2S). Les électrodes à base de carbone dopées au soufre et à l'azote peuvent faciliter efficacement cette conversion. Leur étude a également révélé que le produit intermédiaire Li2S6 ne participe pas directement au processus électrochimique, mais qu'il est présent en tant que produit principal des réactions chimiques secondaires et qu'il contribue de manière significative à l'effet de navette indésirable du polysulfure.
"Notre étude apporte 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 du cycle", a déclaré Duan, qui a été choisi en décembre comme boursier 2023 par l'Académie nationale des inventeurs.
"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 M. Sautet, qui est le titulaire de la chaire d'excellence Levi James Knight Jr. Term Chair for Excellence.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Rongli Liu, Ziyang Wei, Lele Peng, Leyuan Zhang, Arava Zohar, Rachel Schoeppner, Peiqi Wang, Chengzhang Wan, Dan Zhu, Haotian Liu, Zhaozong Wang, Sarah H. Tolbert, Bruce Dunn, Yu Huang, Philippe Sautet, Xiangfeng Duan; "Establishing reaction networks in the 16-electron sulfur reduction reaction"; Nature, Volume 626, 2024-1-31
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