Protéger l’anode au lithium métallique pour permettre une longue

Ils ont publié leur travail le 10 janvier dans Progrès des matériaux énergétiques.

“Les technologies de stockage d’énergie représentées par les batteries rechargeables sont considérées comme un élément indispensable du système énergétique moderne basé sur des sources d’énergie renouvelables mais intermittentes”, a déclaré l’auteur de l’article Jia-Qi Huang, professeur à l’Institut de recherche avancée des sciences multidisciplinaires, Institut de technologie de Pékin. . “Les systèmes de batterie avancés à haute densité d’énergie sont d’une grande importance pour combler le vide pour les applications futures.”

Huang et son équipe de recherche se sont concentrés sur la batterie Li-S, qui a une densité d’énergie théorique élevée de 2600 Wh kg⁻¹ et est largement considérée comme l’une des technologies de batterie de nouvelle génération les plus prometteuses.

“Les batteries Li-S utilisent du soufre élémentaire comme matériau actif de cathode, du métal Li comme anode et un électrolyte à base d’éther pour le transport des ions et la conversion des espèces soufrées”, a déclaré Huang. « Aujourd’hui, les performances électrochimiques de la cathode au soufre ont fait l’objet d’une grande promotion. Une capacité spécifique de décharge élevée et un cycle stable de la cathode de soufre peuvent être obtenus dans des conditions de charge élevée. »

Cependant, l’application pratique des batteries Li-S est entravée par la faible stabilité du cycle. Selon Huang, le Li métal est le goulot d’étranglement qui limite la durée de vie des batteries Li-S pratiques. Dans des conditions de travail pratiques, une cathode en soufre à grande capacité surfacique et un excès d’anode limité aggravent le décapage et le placage inégaux du Li pour produire des dendrites massives de Li et du Li inactif qui entraînent une défaillance rapide de l’anode métallique Li. De plus, les polysulfures de lithium solubles d’ordre élevé générés du côté cathode diffusent vers le côté anode Li et réagissent chimiquement avec le métal Li, entraînant une réduction de l’efficacité coulombienne, une corrosion sévère du métal Li et l’épuisement du Li actif ainsi que l’exacerbation. de l’inégalité de l’anode Li.

Pour construire des batteries Li-S pratiques à cycle long, la protection de l’anode métallique Li est l’objectif principal. Une attention croissante a été accordée à la protection de l’anode métallique Li dans les batteries Li-S en fonctionnement avec une amélioration essentielle des performances de la batterie au cours des dernières années. Compte tenu de l’importance et des grands progrès de ce domaine, un examen opportun pour résumer les connaissances actuelles. Les avancées récentes de la protection des anodes métalliques Li dans les batteries Li-S ont été présentées par Huang et son équipe de recherche.

“Du point de vue des défis auxquels sont confrontées les anodes Li métal dans les batteries Li-S, nous avons proposé trois stratégies de protection en général.” dit Huang. “La première stratégie consiste à guider le placage/décapage uniforme de Li, la deuxième stratégie consiste à réduire la concentration de polysulfure dans l’anolyte, et la troisième stratégie consiste à réduire l’activité de réaction du polysulfure avec des anodes en métal Li.”

Pour guider le placage/décapage uniforme de l’anode en métal Li, trois stratégies ont été introduites concernant la construction d’une anode composite en métal Li, l’introduction d’une interphase d’électrolyte solide artificiel robuste et l’introduction d’additifs électrolytiques. Pour réduire la concentration de polysulfure dans l’anolyte, deux stratégies principales ont été introduites : supprimer la diffusion des polysulfures de lithium hors du catholyte et réduire la solubilité des polysulfures de lithium dans l’électrolyte. Pour réduire l’activité de réaction du polysulfure avec les anodes en métal Li, deux stratégies ont été introduites via l’encapsulation du polysulfure de lithium et la réduction de l’auto-activité du métal Li par un alliage à base de Li ou la construction d’une interphase de blindage.

“Bien que la stabilité de l’anode métallique Li dans les batteries Li-S ait été considérablement améliorée, il reste encore un long chemin à parcourir avant l’application pratique de la batterie”, a déclaré Huang. “En se concentrant sur les principaux défis et les stratégies de protection actuelles, on pense que des progrès essentiels seront réalisés dans cette frontière de recherche et que l’application pratique des batteries Li-S avancées sera réalisée dans un proche avenir.”

Pour inspirer la recherche et le développement futurs de la construction d’anodes Li métal avancées pour les batteries Li-S, Huang et son équipe de recherche ont également souligné que les stratégies de protection actuellement proposées devraient être testées dans des batteries Li-S pratiques dans des conditions de travail, l’anode Li métal/ les comportements interfaciaux de l’électrolyte doivent être mieux compris, et l’équilibre des performances de la cathode au soufre et de l’anode en métal Li doit nécessairement être pris en compte.

Huang est également affilié à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Institut de technologie de Pékin. Parmi les autres contributeurs figurent le Dr Bo-Quan Li, Chen-Xi Bi, Meng Zhao et le Dr Xue-Qiang Zhang, Institut de recherche avancée des sciences multidisciplinaires, Institut de technologie de Pékin ; Li-Peng Hou, Zheng Li et le professeur Qiang Zhang, Laboratoire clé de Beijing sur l’ingénierie et la technologie de la réaction chimique verte, Département de génie chimique, Université Tsinghua.

Les auteurs suivants ont des affiliations supplémentaires : Dr Bo-Quan Li, Chen-Xi Bi, Meng Zhao et Dr Xue-Qiang Zhang, École des sciences et de l’ingénierie des matériaux, Institut de technologie de Pékin.

Beijing Natural Science Foundation (JQ20004), National Key Research and Development Program (2021YFB2400300), National Natural Science Foundation of China (22109007 et 22209010), Beijing Institute of Technology Research Fund Program for Young Scholars et the Tsinghua University Initiative Scientific Research Le programme a soutenu ce travail.

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Référence

Auteurs : CHEN-XI BI, LI-PENG HOU, ZHENG LI, MENG ZHAO, XUE-QIANG ZHANG, BO-QUAN LI, QIANG ZHANG ET JIA-QI HUANG

Titre de l’article original : Protecting lithium metal anodes in lithium–sulfur batteries: A review

Journal: Progrès des matériaux énergétiques

DOI : 10.34133/energymatadv.0010

Affiliations :

¹École des sciences et de l’ingénierie des matériaux, Institut de technologie de Pékin, Pékin 100081, Chine.

²Institut de recherche avancée des sciences multidisciplinaires, Institut de technologie de Pékin, Pékin 100081, Chine.

³Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, Chine.

À propos des auteurs:

Le Dr Jia-Qi Huang a obtenu son baccalauréat et son doctorat. diplôme en génie chimique de l’Université Tsinghua en 2007 et 2012, respectivement. Il est actuellement professeur titulaire à l’Institut de recherche avancée pour les sciences multidisciplinaires de l’Institut de technologie de Pékin. Ses recherches portent sur l’électrochimie d’interface et la conception de matériaux énergétiques avancés dans les batteries rechargeables à haute densité d’énergie, en particulier pour les batteries lithium-soufre et les anodes au lithium métal.

Le Dr Bo-Quan Li a obtenu son baccalauréat du Département de chimie de l’Université Tsinghua et son doctorat du Département de génie chimique de l’Université Tsinghua. Il est actuellement chercheur associé à l’Institut de recherche avancée des sciences multidisciplinaires de l’Institut de technologie de Pékin. Ses intérêts de recherche portent sur les matériaux énergétiques avancés pour les batteries lithium-soufre, les anodes au lithium métal et l’électrocatalyse bifonctionnelle de l’oxygène dans les batteries zinc-air.