Une matrice carbone pour booster les cathodes lithium-soufre

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Des scientifiques de Singapour ont mis au point une nouvelle méthode de production de cathodes au lithium-soufre qui, selon eux, améliore considérablement la stabilité pendant les cycles de charge et de décharge.

Des chercheurs du NanoBio Lab de l’Agence singapourienne pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) ont déclaré que les batteries lithium-soufre pourraient théoriquement avoir le potentiel de stocker 10 fois plus d’énergie que la technologie lithium-ion actuelle. Les dispositifs au lithium-soufre reposent également sur du soufre bon marché et abondant. Jusqu’à présent, les performances de ces dispositifs sont difficiles à maintenir sur des cycles répétés, car la structure de la cathode a tendance à « s’effondrer » au cours du cycle initial, ce qui réduit considérablement ses performances.

Le groupe du NanoBio Lab a utilisé une matrice carbone qui avait été assemblée avant l’ajout de soufre pour créer des nanomatériaux poreux interconnectés en trois dimensions. La matrice empêche l’effet d’effondrement de la cathode, selon les chercheurs.

Les résultats publiés dans Nano Energy indiquaient que les batteries intégrant la nouvelle électrode du NanoBio Lab atteignaient des capacités spécifiques pouvant atteindre 1 220 milliampères-heure par gramme et un taux de perte de capacité inférieur à 0,14 % sur 200 cycles. Selon le laboratoire, cela représente une amélioration de 48 % de la capacité spécifique et de 26 % de l’effondrement de la capacité par rapport aux essais réalisés précédemment avec des batteries au lithium-soufre, grâce aux « différences de morphologie, de surface et de résistance ohmique des cathodes. »

Ingénierie des nanomatériaux

« Nous avons montré que la technique de préparation des cathodes au soufre avait une forte influence sur les performances électrochimiques des batteries lithium-soufre », a déclaré le professeur Jackie Y. Ying, qui dirige l’équipe de recherche du NanoBio Lab. « Notre méthode est évolutive, et permet de parvenir à un stade industriel ; nous prévoyons qu’elle pourrait avoir un impact significatif sur la conception de futures batteries lithium-soufre. »

Alors que les batteries lithium-ion ont pris d’assaut le marché du stockage d’énergie – les pionniers de la technologie ont reçu le prix Nobel de chimie la semaine dernière – la technologie présente plusieurs inconvénients, notamment en termes de performance à long terme, de sécurité et de fiabilité sur l’approvisionnement en terres rares.

Les batteries lithium-soufre comptent parmi les prétendants pour être des solutions optimales pour une technologie de stockage à grande échelle. Les autres options incluent des dispositifs au lithium métal, des batteries à l’état solide et au calcium.

Les chercheurs du NanoBio Lab ont annoncé qu’ils amélioreraient la conception de leurs cathodes et utiliseraient l’ingénierie des nanomatériaux pour optimiser l’anode, le séparateur et l’électrolyte. Selon le laboratoire, l’objectif ultime est de « mettre au point un système de cellules complètes pour [une] batterie lithium-soufre ayant une capacité de stockage d’énergie supérieure à celle des batteries lithium-ion conventionnelles ».