Le 24 juin, l'Université de Xiamen a annoncé que l'équipe des académiciens Sun Shigang et du professeur Liao Honggang, en collaboration avec l'équipe du professeur Huang Yunhui de l'Université des sciences et technologies de Huazhong, a observé pour la première fois, grâce à un dispositif de microscopie électronique à transmission liquide électrochimique in situ développé indépendamment, le phénomène de séparation de phase induit par la concentration à l'interface électrode/électrolyte. Ils ont également révélé les lois de formation et d'évolution de la couche interfaciale de polysulfure de lithium à haute concentration dans les batteries lithium-soufre, offrant ainsi une nouvelle base théorique pour la conception et le développement de batteries lithium-soufre à haute densité énergétique et à charge rapide. Les résultats correspondants ont été récemment publiés dans la revue Nature.
Les batteries lithium-soufre constituent un système important pour les batteries de stockage d'énergie à haute densité énergétique de nouvelle génération. Cependant, dans des conditions proches des applications réelles, avec une charge de soufre élevée et un électrolyte pauvre, le mécanisme microscopique des réactions internes est difficile à observer et à expliquer, ce qui limite depuis longtemps l'amélioration de la densité énergétique, des performances de charge rapide et de la stabilité cyclique des batteries. Cette étude a surmonté les limites des méthodes d'observation traditionnelles en utilisant la microscopie électronique à transmission liquide électrochimique in situ, permettant une imagerie dynamique en temps réel à haute résolution des réactions interfaciales à l'échelle nanométrique dans les batteries lithium-soufre.
L'étude a révélé que, pendant le processus de décharge, le polysulfure de lithium s'enrichit continuellement à l'interface de l'électrode et subit une séparation de phase, formant une couche interfaciale à haute concentration riche en agrégats ioniques. Cela établit deux voies de dépôt du sulfure de lithium : l'une implique une réaction de transfert de charge et un dépôt à la surface de l'électrode, et l'autre un transfert de charge et une croissance de dépôt dans l'électrolyte. Ces deux voies déterminent ensemble l'efficacité et la stabilité de la réaction de conversion du soufre dans les batteries lithium-soufre.
Sur la base de ces découvertes, l'équipe a proposé un plan d'optimisation pour la conception des matériaux et le contrôle de l'interface des batteries lithium-soufre à haute densité énergétique et à charge rapide. Ce plan consiste à établir un équilibre entre la nucléation médiée par la surface et la croissance médiée par la solution en régulant raisonnablement la concentration de polysulfure de lithium, la teneur en soufre et la structure de l'interface de l'électrode, réalisant ainsi une conversion efficace du soufre et améliorant les performances des batteries lithium-soufre.
Cette étude a résolu l'énigme de la formation de la couche de dépôt de sulfure de lithium d'épaisseur micrométrique dans les batteries lithium-soufre, fournissant une nouvelle base scientifique pour la conception de dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération à haute densité énergétique, à charge rapide et à longue durée de vie.