Description du projet
Une recherche pourrait conduire à une conception optimisée de batteries au lithium-soufre
Les batteries au lithium-soufre semblent être les successeurs idéaux des batteries lithium-ion classiques, car elles pourraient se révéler moins coûteuses et offrir un meilleur rendement énergétique par rapport à leur poids. Cependant, les densités énergétiques obtenues jusqu’à présent ne correspondent pas aux prévisions théoriques. La difficulté à charger des quantités suffisantes de soufre sur la cathode de carbone poreux limite la capacité à développer pleinement son potentiel électrochimique. Le projet NanoEvolution, financé par l’UE, mettra en lumière certains aspects encore mal compris. Il étudiera les propriétés de transport de masse et de charge des batteries au lithium-soufre et en révélera davantage sur les mécanismes de réaction électrochimique, en particulier la réduction du soufre en plusieurs étapes. La modélisation et les travaux expérimentaux permettront de mieux comprendre la cinétique et la morphologie du dépôt de lithium-soufre dans les électrodes de carbone à des échelles de longueur inédites.
Objectif
Lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered a strategic candidate to achieve both significantly higher energy storage and better sustainability than current Lithium-ion batteries. They operate by converting sulfur into lithium sulfide and back on discharge/charge. However, practically achieved energies are far from theoretical values due to difficulties to load sulfur in high areal and volume density in the porous carbon cathode and to fully use it electrochemically. Current experimental techniques are strong in aspects, but fail to combine the required coverage of length scales ranging from sub-nanometers to micrometers in the crucial real-time in situ fashion.
NanoEvolution aims to i) identify nanoscale structure-transport-performance correlations, ii) understand capacity limitations and reaction mechanisms, and iii) derive design criteria for improved Li-S battery performance. To achieve these goals, structure-sensitive in situ scattering and imaging methods during electrochemically operating custom-built in situ Li-S cells will be implemented. Specifically, in situ small and wide angle X-ray scattering (SWAXS) will be established and synergistically combined with nanoscale phase evolution modelling for data analysis. In situ nanoscale X-ray tomography will be realized to achieve continuous structural sensitivity from (sub-)nanometer (SWAXS) to sub-micrometer scales (tomography).
The novel combination of modelling and structure-sensitive in situ experiments allows real-time detection of the Li2S/sulfur morphology and location within the nanoporous carbon electrode during charge and discharge, at length scales so far not accessible to other methods. This allows to determine the final cause for capacity limitation (mass transport vs. charge transport), ii) elucidate the nature of the multiple-step sulfur reduction (oxidation) reaction, and iii) derive design criteria for improved sulfur loading, capacity utilization, and power densities.
Champ scientifique
Programme(s)
Régime de financement
MSCA-IF - Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF)Coordinateur
8092 Zuerich
Suisse