Une équipe dirigée par le professeur Yan Lu, HZB, et le professeur Arne Thomas, Université technique de Berlin, ont développé un matériau qui améliore la capacité et la stabilité des batteries lithium-sulfur. Le matériau est basé sur des polymères qui forment un cadre avec des pores ouverts (appelés cadres organiques covalents radicaux ou COF). Les réactions accélérées catalytiquement ont lieu dans ces pores, piégeant fermement les polysulfures, ce qui raccourcirait la durée de vie de la batterie.
Certaines des analyses expérimentales ont été effectuées au Bamline à Bessy II. La recherche est publiée dans le Journal de l'American Chemical Society.
Les structures à cadre cristallin en polymères organiques sont une classe de matériaux particulièrement intéressante. Ils sont caractérisés par leur grande porosité, comparables à une éponge, mais avec des pores ne mesurant que quelques micromètres au maximum. Ces matériaux peuvent présenter des fonctionnalités spéciales, ce qui les rend intéressants pour certaines applications dans les dispositifs électrochimiques de stockage d'énergie.
Par exemple, ils pourraient agir comme des «hôtes» pour les composés de soufre tels que les polysulfures dans les électrodes des batteries au lithium-sulfure. L'idée est que les polysulfures pourraient se lier aux surfaces intérieures des pores dans les structures COF et y réagir pour générer à nouveau le soufre élémentaire. Cependant, cela n'a pas encore fonctionné correctement.
COF nouvellement développé
L'équipe a démontré une avancée majeure avec le nouveau matériel, qui se compose d'unités TetrathiafulValene ((TTF)2• +) et les anions radicaux du trisulfure (s3• –) connecté via benzothiazole (R-TTF• +-Cof
« Les électrons non appariés jouent un rôle important dans les micro / mésopores des COF », explique le professeur Lu. « Ils contribuent aux orbitales π délocalisées, ce qui facilite le transfert de charge entre les couches et améliore ainsi les propriétés catalytiques. »
Combinaison d'expériences
Dans l'étude très complexe, l'équipe a élucidé le rôle central des motifs radicaux dans la catalyse des réactions de réduction du soufre.
Pour l'étude, les chercheurs ont étudié les matériaux COF dans les cellules de batterie Li-S à l'aide de spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (SSNMR) à l'état solide, de spectroscopie par résonance de spin électronique (EPR), et également effectué la tomographie à rayons X in situ au Bamline chez Bessy II pour caractériser les pores à l'intérieur plus précisément. Ils ont combiné ces résultats expérimentaux avec des calculs théoriques pour interpréter les résultats.
« Cela nous a permis de montrer que les cations radicales (TTF)2• + Agir comme des centres catalytiques qui lient les lèvres et facilitent l'allongement et le clivage des obligations S-S « , explique Sijia Cao, un étudiant de doctorat dans l'équipe du professeur Lu.
Amélioration significative
Le résultat est incroyable: les performances de la batterie Li-S s'améliorent considérablement avec l'utilisation du nouveau R-TTF• +-Cof matériau. La durée de vie des batteries Li-S augmente ainsi à plus de 1 500 cycles avec une perte de capacité de seulement 0,027% par cycle. Cette durabilité des batteries Li-S n'a pas encore été réalisée avec des matériaux COF ou d'autres catalyseurs purement organiques. En règle générale, les batteries Li-S présentent moins de 1 000 cycles, selon des rapports des dernières années.
« L'intégration de ces structures d'échafaudage radicales dans les batteries au lithium-sulfure est très prometteuse », explique le professeur Lu. De plus, il existe un large éventail de possibilités d'optimisation supplémentaire. Les propriétés électroniques de l'échafaudage et l'activité catalytique changent en fonction des molécules utilisées comme radicaux. Néanmoins, des recherches supplémentaires sont nécessaires en COF avec des blocs de construction radicaux stables qui sont spécifiquement adaptés à la catalyse des réactions de réduction du soufre.
