fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université de Tohoku et de ses institutions partenaires a développé un nouveau matériau d'ingénierie moléculaire visant à résoudre l'effet de navette des polysulfures, un problème persistant dans les batteries lithium-soufre, faisant ainsi progresser cette technologie vers une commercialisation.
Les batteries lithium-soufre offrent une densité énergétique théorique élevée et un faible coût, mais le polysulfure de lithium soluble produit pendant le fonctionnement migre de la cathode de soufre vers l'anode de lithium, entraînant une perte de matière active, des réactions secondaires, une autodécharge et une dégradation rapide de la capacité. Cet effet de navette découle de leurs propres réactions chimiques, et les tentatives précédentes de barrières physiques compromettaient souvent les performances de la batterie.
Pour relever ce défi, l'équipe a créé un cadre organique covalent (COF) à base de tétrathiafulvalène-éther couronne, nommé TUS-44, et l'a combiné avec du graphène conducteur pour former une couche fonctionnelle TUS-44@G. Ce cadre contient des sites d'azote imine, d'oxygène d'éther couronne et de tétrathiafulvalène riche en soufre, offrant des sites d'interaction hiérarchiques pour le polysulfure de lithium, tandis que le composant graphène fournit une voie de transport électronique efficace. L'objectif de l'équipe était de concevoir une couche intermédiaire capable non seulement de bloquer les polysulfures, mais aussi de gérer activement leurs voies de réaction.
Lors des tests de batterie, les cellules équipées de la couche TUS-44@G ont montré une capacité réversible élevée, atteignant 1455,7 mAh g⁻¹ à une densité de courant de 0,2 A g⁻¹, une performance de taux de 773 mAh g⁻¹ à 10 A g⁻¹, et une dégradation de capacité de seulement 0,034 % par cycle après 1000 cycles à 5 A g⁻¹. Les batteries lithium-soufre de type poche utilisant la même couche intermédiaire ont atteint une densité énergétique initiale d'environ 674 Wh kg⁻¹ à 0,05 A g⁻¹.
Les chercheurs indiquent que les matériaux COF peuvent être construits avec une précision à l'échelle moléculaire, et leurs pores disposés périodiquement permettent de contrôler de manière programmable la taille, l'environnement chimique et les propriétés électroniques, capturant, conduisant et catalysant simultanément les espèces de soufre. Saikat Das, professeur associé à l'Institut de recherche multidisciplinaire pour les matériaux avancés de l'Université de Tohoku, explique que l'objectif de l'équipe était de concevoir une couche intermédiaire gérant activement les voies de réaction des polysulfures. Le professeur Yuichi Negishi de l'Université de Tohoku souligne que cette étude démontre le potentiel de la chimie réticulaire pour programmer les interfaces des batteries au niveau moléculaire, et que la conception TUS-44@G, en unifiant la fixation des polysulfures et la catalyse de la conversion du soufre, offre une voie vers des batteries lithium-soufre légères, durables et à haut taux de décharge.
