Vers une batterie Lithium-Soufre haute énergie, faible coût et longue durée de vie
Des scientifiques de l’Argonne National Laboratory près de Chicago, travaillent sur une technologie visant à développer de meilleures batteries lithium-soufre en visualisant les réactions à l’échelle atomique. Un article sur cette recherche est paru dans Nature
Un long chemin.
De la découverte en laboratoire au développement pratique, le temps peut-être long et chemin semé d’embûches. La batterie lithium-soufre en est un exemple parfait. Si elle présente des avantages notables par rapport aux batteries lithium-ion actuelles alimentant les véhicules, elle n’a pas encore ébranlé le marché malgré un développement intense depuis de nombreuses années.
Cette situation pourrait changer à l’avenir grâce aux efforts des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie ( DOE ). Au cours de la dernière décennie, ils ont réalisé plusieurs découvertes cruciales liées aux batteries lithium-soufre. Leur dernière révélation, publiée dans Nature, révèle un mécanisme de réaction jusqu’alors inconnu qui répond à une lacune majeure : la courte durée de vie de ces batteries.
Gui-Liang Xu, chimiste à la division Sciences et Ingénierie Chimiques d’Argonne, a déclaré que » Les efforts de notre équipe pourraient rapprocher les États-Unis d’un monde des transports plus écologique et plus durable. «
Des avantages majeurs
Les batteries lithium-soufre offrent trois avantages significatifs par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Premièrement, elle stockent deux à trois fois plus d’énergie dans un volume donné, ce qui permet d’allonger l’autonomie des véhicules. Deuxièmement, leur moindre coût est facilité par l’abondance et le prix abordable du soufre, qui les rend économiquement viables. Enfin, ces batteries ne dépendent pas de ressources critiques comme le cobalt et le nickel, qui pourraient à l’avenir être confrontées à des pénuries.
Malgré ces avantages, la transition du succès en laboratoire à la viabilité industrielle se révèle difficile à réaliser. Les cellules de laboratoire ont montré des résultats prometteurs, mais lorsqu’elles sont mises à l’échelle industrielle, leurs performances diminuent rapidement avec des charges et décharges répétées.
batteries lithium-soufre avec (à gauche) et sans (à droite) catalyseur dans la cathode de soufre. (Image du Laboratoire national d’Argonne.)
La cause sous-jacente de cette baisse de performance réside dans la dissolution du soufre de la cathode lors de la décharge, conduisant à la formation de polysulfures de lithium solubles (Li 2 S 6 ). Ces composés s’écoulent dans l’électrode négative (anode) au lithium métallique pendant la charge, aggravant encore le problème. Par conséquent, la perte de soufre de la cathode et les modifications de la composition de l’anode nuisent considérablement aux performances de la batterie pendant le cycle
Les scientifiques d’Argonne ont récemment développé un matériau catalytique qui, ajouté en petite quantité à la cathode de soufre, éliminait essentiellement le problème de perte de soufre. Bien que ce catalyseur se soit montré prometteur dans les cellules de laboratoire et de taille industrielle, son mécanisme de fonctionnement à l’échelle atomique est resté jusqu’à présent une énigme. Les recherches les plus récentes de l’équipe ont mis en lumière ce mécanisme. En l’absence de catalyseur, des polysulfures de lithium se forment à la surface de la cathode et subissent une série de réactions, convertissant finalement la cathode en sulfure de lithium (Li 2 S).
Gui-Liang Xu a déclaré » la présence d’une petite quantité de catalyseur dans la cathode fait toute la différence. Il s’ensuit une voie de réaction très différente, dépourvue de phases de réaction intermédiaires.
La clé est la formation de bulles denses à l’échelle nanométrique de polysulfures de lithium à la surface de la cathode, qui n’apparaissent pas sans le catalyseur. Ces polysulfures de lithium se propagent rapidement dans toute la structure cathodique pendant la décharge et se transforment en sulfure de lithium constitué de cristallites à l’échelle nanométrique. Ce processus évite la perte de soufre et la baisse de performance dans les cellules de taille industrielle.
Pour percer le mystère du mécanisme de réaction, les scientifiques ont eu recours à des techniques de caractérisation de pointe. L’analyse de la structure du catalyseur à l’aide des faisceaux intenses de rayons X synchrotron de la ligne de faisceau 20-BM de l’Advanced Photon Source, une installation de l’Office of Science du DOE, a révélé qu’elle joue un rôle essentiel dans la phase de réaction. La structure du catalyseur influe sur la forme et la composition du produit final lors de la décharge, ainsi que sur les produits intermédiaires. Avec le catalyseur, du sulfure de lithium nanocristallin se forme lors de la décharge complète. Sans catalyseur, des structures microscopiques en forme de bâtonnets se forment à la place.
Une autre technique vitale, développée à l’Université de Xiamen en Chine, a permis à l’équipe de visualiser l’interface électrode-électrolyte à l’échelle nanométrique pendant qu’une cellule de test fonctionnait. Cette technique nouvellement inventée a permis de relier les changements à l’échelle nanométrique au comportement d’une cellule en fonctionnement.
« Sur la base de cette prometteuse découverte, nous effectuerons davantage de recherches pour concevoir des cathodes au soufre encore encore plus performantes », a noté Gui-Liang Xu . » Il serait également intéressant d’explorer si ce mécanisme s’applique à d’autres batteries de nouvelle génération, comme celles au sodium-soufre. «
Grâce à cette dernière avancée de l’équipe, l’avenir des batteries lithium-soufre semble plus prometteur, offrant une solution plus durable et plus respectueuse de l’environnement pour l’industrie des transports.
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