Amélioration des batteries lithium-soufre grâce à des matériaux à base de cadres organiques métalliques
La technologie actuelle des batteries lithium-ion n'a pas la densité énergétique nécessaire pour répondre à la demande d'énergie renouvelable. En théorie, les batteries lithium-soufre pourraient constituer une alternative viable avec une capacité spécifique et une densité énergétique plus élevées. Cependant, le soufre présente des inconvénients qui limitent actuellement son adoption pratique.
Ce graphique montre les avantages des matériaux à base de MOF et leur utilisation dans les batteries lithium-soufre, qui présentent de nombreux avantages par rapport à la technologie lithium-ion actuelle. Parmi ces avantages, citons la facilité de fabrication, la conductivité élevée et une structure robuste qui améliorent toutes les fonctions des batteries lithium-soufre.
Weihua Chen, Zhengzhou University
Une étude approfondie publiée dans Nano Research le 8 février explique comment les matériaux cathodiques à base de cadres organiques métalliques pourraient améliorer les performances des batteries lithium-soufre et en faire une alternative pratique aux batteries lithium-ion.
"L'application des batteries lithium-soufre à haute performance est encore entravée par certains problèmes majeurs, qui conduisent à une capacité pratique et à une stabilité de cycle inacceptables", a déclaré Weihua Chen, chercheur à l'université de Zhengzhou. "Tout d'abord, la mauvaise conductivité électrique du soufre et celle des produits de décharge augmentent considérablement la résistance interne des batteries, ce qui limite l'efficacité de l'utilisation des matériaux actifs. De plus, la forte expansion volumétrique des cathodes au soufre après le processus de lithiation entraîne la pulvérisation structurelle des électrodes." Compte tenu de ces limitations, les batteries lithium-soufre présentent des problèmes de sécurité et de performance qui empêchent actuellement leur adoption à grande échelle.
Les cathodes à base de soufre avancé fabriquées à partir de cadres organiques métalliques pourraient être la solution. Les cadres métallo-organiques sont généralement constitués d'un ion/cluster métallique et possèdent des propriétés uniques telles qu'une porosité élevée, une taille de pore ajustable et une structure de pore contrôlable. Les cadres métallo-organiques vierges n'ont pas encore été adoptés dans les batteries lithium-soufre en raison de leur faible conductivité électrique et de leur stabilité structurelle insuffisante. Toutefois, des études récentes ont montré comment les cadres métallo-organiques peuvent être combinés avec des matériaux conducteurs, tels que le graphène, les nanotubes de carbone et certains polymères.
"En raison de leur microstructure poreuse, de leur très grande surface spécifique accessible et de leur groupe fonctionnel réglable, les matériaux à base de cadres organiques métalliques ont retenu l'attention des chercheurs en tant qu'hôtes potentiels de cathodes pour les batteries lithium-soufre et ont réalisé des progrès significatifs. En particulier, les matériaux à base de cadres organiques métalliques pourraient limiter efficacement la dissolution et la diffusion du polysulfure dans les électrolytes", a déclaré M. Chen.
Cette revue des articles publiés s'est penchée sur les cadres organiques métalliques vierges, sur différents composites de cadres organiques métalliques et sur les dérivés de cadres organiques métalliques. Ces composants métalliques et organiques inorganiques inaltérés ont une structure cristallographique et sont prometteurs pour le stockage du soufre actif, mais la plupart d'entre eux n'ont pas la conductivité nécessaire au bon fonctionnement des batteries.
Les composites à structure métallo-organique améliorent les propriétés des structures métallo-organiques, en améliorant la conductivité et en renforçant la stabilité structurelle. Le graphène, les nanotubes de carbone et les polymères conducteurs sont autant d'options viables pour améliorer les limites des structures métallo-organiques vierges. Une autre solution consiste à utiliser des matériaux dérivés de cadres organiques métalliques ou des dérivés de cadres organiques métalliques. Par exemple, les matériaux carbonés dérivés des structures organiques métalliques peuvent faciliter les transferts d'électrons et d'ions et résoudre les problèmes d'expansion de volume rencontrés dans les cathodes au soufre, mais ils pourraient compromettre la structure de la structure organique métallique. Des recherches sont en cours pour déterminer comment ces différents matériaux pourraient être améliorés et utilisés au mieux dans les batteries lithium-soufre.
À l'avenir, les chercheurs continuent d'étudier comment les matériaux à base de cadres métallo-organiques et leurs caractéristiques uniques peuvent améliorer les performances des batteries lithium-soufre. "Les matériaux liés aux cadres organiques métalliques apparaissent comme des matériaux prometteurs pour les cathodes à soufre des batteries lithium-soufre. Malgré les progrès significatifs réalisés ces dernières années, il reste encore des défis à relever pour la commercialisation des batteries lithium-soufre. Il faudra du temps et des efforts pour parvenir à une application pratique des matériaux liés aux cadres organiques métalliques dans les batteries lithium-soufre, mais cette étude pourrait offrir des conseils utiles pour le développement futur de ces matériaux", a déclaré M. Chen.
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.
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