Une équipe de recherche met au point une batterie lithium-soufre de 4000 cycles

D’après pv magazine international.

Parmi les différents types de batteries qui promettent un bond en avant en termes de capacité, de durée de vie et de coût du stockage de l’énergie, le lithium-soufre se distingue par ses performances remarquables obtenues sans recours à des matériaux rares ou difficiles à obtenir.

Les batteries au lithium-soufre ont toutefois tendance à réduire très rapidement leurs performances en raison d’une réaction secondaire indésirable qui se produit entre la cathode et l’électrolyte au cours du cycle de la batterie. Cela conduit à la formation de polysulfures, qui ne peuvent être inversés et provoquent rapidement l’arrêt de la batterie. La plupart des solutions proposées par les chercheurs se sont concentrées sur l’utilisation d’électrolytes différents mieux adaptés au cycle du soufre, ou sur la modification du film séparateur qui sépare les deux composants.

Les scientifiques de l’université de Drexel, aux États-Unis, ont décidé de modifier la cathode qui contient le soufre de manière à améliorer son fonctionnement avec le carbonate d’électrolyte disponible dans le commerce. « Avoir une cathode qui fonctionne avec le type de carbonate déjà utilisé est la meilleure solution pour les fabricants commerciaux », explique Vibha Kalra, professeur à l’université de Drexel, qui a dirigé les recherches. « Ainsi, plutôt que de pousser l’industrie à adopter un nouvel électrolyte, notre objectif était de fabriquer une cathode qui pourrait fonctionner dans le système d’électrolyte Li-ion préexistant. »

Du soufre gamma monoclinique stable

L’approche initiale de cette équipe consistait à intégrer du soufre dans une maille de nanofibres de carbone conçue pour atténuer la réaction du polysulfure. Bien que cela n’ait pas fonctionné, leur cathode s’est avérée bien plus performante que prévu lors des tests, ce qu’ils ont cherché à expliquer. Après de nombreux autres tests, le groupe a pu confirmer que pendant le dépôt, le soufre s’était cristallisé d’une manière inattendue, formant une variation de l’élément connue sous le nom de soufre gamma monoclinique.

« Au début, il était difficile de croire que c’était ce que nous détections, car dans toutes les recherches précédentes, le soufre monoclinique était instable en dessous de 95 degrés Celsius », a déclaré Rahul Pai, un étudiant en doctorat à Drexel. « Depuis un siècle, il n’y a qu’une poignée d’études qui ont produit du soufre gamma monoclinique et il n’a été stable que pendant 20 à 30 minutes au maximum. Mais nous avons créé ce produit dans une cathode qui subissait des milliers de cycles de charge-décharge sans que ses performances ne diminuent – et un an plus tard, l’examen que nous en avons fait montre que la structure chimique est restée la même. »

La batterie est entièrement détaillée dans l’article Stabilisation du soufre gamma à température ambiante pour permettre l’utilisation d’un carbonate d’électrolyte dans les batteries Li-S, publié dans Communications Chemistry. Elle a présenté une capacité initiale de 800 milliampères-heures par gramme (mAh/g-1), qui était tombée à 650mAh/g-1 après 4000 cycles.

« Bien que nous cherchions encore à comprendre le mécanisme exact de la création de ce soufre monoclinique stable à température ambiante, cette découverte reste passionnante et pourrait ouvrir un certain nombre de portes pour le développement d’une technologie de batterie plus durable et plus abordable ».

Le groupe note qu’une étude plus approfondie de la surface de la cathode, du rôle des nanofibres de carbone et des additifs potentiels à l’électrolyte serait nécessaire pour que la technologie atteigne une « performance de niveau commercial ». Et ils espèrent que ce travail inspirera d’autres recherches sur le comportement fondamental du soufre dans divers types de batteries. « Cela permettra une compréhension plus approfondie du système facilitant la commercialisation des batteries Li-S », concluent-ils.