De 0 à 100 en 12 minutes – une feuille de route pour les batteries au lithium-soufre

Une étude internationale souligne le potentiel des batteries lithium-soufre à charge rapide pour l’e-mobilité et la transition énergétique

Prenez un café et votre voiture est complètement rechargée : c’est ainsi que beaucoup de gens envisagent l’avenir de la mobilité. Mais les batteries actuelles sont encore loin de cet idéal. Si les batteries lithium-ion modernes peuvent se recharger de 20 à 80 % en 20 à 30 minutes environ, une recharge complète prend beaucoup plus de temps, et la recharge rapide sollicite considérablement les cellules.

Une nouvelle étude internationale publiée dans la revue « Advanced Energy Materials » montre désormais comment les batteries lithium-soufre (LSB) pourraient surmonter ces limites. Des chercheurs allemands, indiens et taïwanais, coordonnés par le Dr Mozaffar Abdollahifar du groupe de recherche du professeur Rainer Adelung à l’université de Kiel (CAU), ont analysé systématiquement des centaines d’études récentes et identifié des mécanismes permettant aux LSB de fonctionner de manière stable et efficace, même à des taux de charge élevés. Leur objectif : des temps de charge inférieurs à 30 minutes, idéalement aussi courts que 12 minutes, combinés à une densité énergétique plus élevée et une autonomie accrue.

Batteries lithium-soufre : plus d’autonomie, une recharge plus rapide

Les LSB sont considérées comme les successeurs prometteurs des batteries lithium-ion conventionnelles. Alors que les batteries lithium-ion stockent et libèrent des ions lithium dans des matériaux d’électrode solides, les LSB reposent sur des réactions chimiques qui forment de nouveaux composés. Elles utilisent une anode en lithium métallique combinée à une cathode en soufre, ce qui permet théoriquement d’atteindre une densité énergétique de 2 600 watts-heure par kilogramme, soit environ dix fois plus que les systèmes conventionnels. Cela pourrait permettre aux véhicules électriques de parcourir des distances nettement plus longues avec une seule charge.

Autre avantage : le soufre est peu coûteux, largement disponible, respectueux de l’environnement et non toxique, ce qui constitue un argument économique de poids en faveur du passage au soufre comme matériau cathodique.

Défis techniques de la technologie LSB

Cependant, il existe encore des obstacles techniques à une application à grande échelle. Le soufre est un isolant électrique et doit être combiné à des additifs conducteurs, ce qui augmente le poids de la batterie. La cathode subit également une expansion volumique pouvant atteindre 80 % pendant la charge et la décharge, ce qui peut affecter la stabilité mécanique et la durée de vie de la batterie.

Un autre problème est l’« effet navette » : pendant la décharge, des polysulfures de lithium solubles se forment et migrent vers l’anode, où ils déclenchent des réactions secondaires indésirables, ce qui a un impact négatif sur l’efficacité et la stabilité. « De plus, des structures en forme d’aiguilles appelées dendrites peuvent se développer sur l’anode en lithium métallique, ce qui peut provoquer des courts-circuits et, dans le pire des cas, des incendies », indique Jakob Offermann, auteur principal de l’étude.

Stratégies pour une charge rapide et une sécurité élevée

L’étude analyse spécifiquement les travaux portant sur des temps de charge particulièrement rapides (à partir de 2C, c’est-à-dire moins de 30 minutes) et une charge en soufre élevée, deux éléments essentiels pour une utilisation pratique. Les stratégies clés sont les suivantes

Conception de la cathode : les structures conductrices en carbone telles que les nanotubes, le graphène ou le charbon actif améliorent le transport des ions et l’utilisation du soufre, même à des charges élevées. Les carbones dopés et riches en défauts contribuent également à réduire l’effet navette.

Matériaux catalytiques : les oxydes métalliques, les chalcogénures ou les catalyseurs à atome unique accélèrent les réactions du soufre et atténuent l’effet navette.

Séparateurs optimisés : les couches séparatrices fonctionnelles piègent les polysulfures et favorisent le transport rapide des ions.

Nouveaux systèmes électrolytiques : les électrolytes hautement concentrés et solides ainsi que des additifs spécifiques améliorent la conductivité, la compatibilité avec le lithium métallique et suppriment les réactions secondaires.

Anodes stables : des couches protectrices telles que des structures lithium 3D et des interfaces artificielles empêchent la formation de dendrites.

Nouvelles formes de soufre : le soufre γ monoclinique permet des réactions directes à l’état solide, éliminant ainsi complètement l’effet navette.

Développement de matériaux à l’aide de l’intelligence artificielle : les méthodes d’IA accélèrent la découverte de matériaux, prédisent les performances des batteries et aident à concevoir des processus de charge plus efficaces et plus sûrs.

Les LSB, une technologie clé pour l’avenir

« Notre analyse montre qu’une recharge rapide en moins de 30 minutes, voire moins de 15 minutes dans certains cas, est réaliste tout en conservant la capacité », ajoute Mozaffar Abdollahifar. « Les prototypes actuels atteignent des valeurs prometteuses d’environ 2 mAh par centimètre carré à des vitesses de recharge pratiques. Cependant, pour vraiment surpasser les batteries lithium-ion existantes, il faut encore augmenter la charge et les performances des matériaux. »

L’étude combine la science des matériaux, l’électrochimie, la nanotechnologie et l’ingénierie des batteries dans une approche intégrée pour les batteries à charge rapide. Elle présente une nouvelle méthodologie qui sert de guide pour le développement de LSB puissantes, durables et sûres. Avec des critères clairs et une approche systématique, l’étude fournit une feuille de route pratique pour la mise en œuvre de LSB à charge rapide dans les applications de mobilité et de stockage d’énergie.

Source : Université de Kiel