Paul Dailing
Stimulée par les véhicules électriques et l’aviation électrifiée, la demande mondiale de batteries lithium-ion devrait plus que doubler d’ici 2030 par rapport aux niveaux de 2023, dépassant largement l’offre, selon S&P Global Insights. Les nouvelles batteries doivent être puissantes, mais aussi suffisamment abordables pour que l’industrie les adopte à grande échelle.
En tant que composant de batterie, le soufre – peu coûteux, abondant et doté d’une capacité spécifique théorique élevée – semble idéal pour relever ce défi. Mais jusqu’à présent, cette capacité théorique est restée théorique.
Chen-Jui (Ben) Huang est co-auteur d’un article récent publié dans Nature Communications qui déchiffre le code du soufre, développant des batteries tout solide pratiques et puissantes utilisant la chimie de conversion lithium-soufre. Huang est chercheur postdoctoral pour la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago (UChicago PME) et pour le Laboratoire de stockage et de conversion de l’énergie (LESC) du département de génie chimique et nanotechnologique de l’Université de Californie à San Diego.
« En termes de prix, le soufre est le matériau peu coûteux ultime que vous voulez mettre dans la batterie », explique Huang. « Une limite clé des cathodes au soufre est que le soufre est intrinsèquement isolant, avec une conductivité électronique négligeable et un transport ionique limité. Par conséquent, établir une percolation continue d’électrons/ions est difficile, et une fraction importante du soufre peut rester électrochimiquement inaccessible, ce qui rend difficile la réalisation de la capacité théorique totale. »
En trouvant la taille de particule parfaite pour la poudre d’électrolyte solide et en modifiant la stratégie de fabrication, l’équipe a créé une cathode composite à base de soufre qui offre une capacité de décharge spécifique d’environ 1500 milliampères-heures (mAh) par gramme de soufre. Cela rapproche la science plus que jamais de l’exploitation de la capacité théorique du soufre de 1675 mAh par gramme. De plus, l’équipe a démontré avec succès cette performance dans un format pratique de cellule en sachet, prouvant l’évolutivité de la technologie et son potentiel pour des applications réelles de véhicules électriques.
Ce travail est le résultat d’un partenariat industrie-université en cours avec le fabricant de batteries sud-coréen LG Energy Solution via le programme Frontier Research Lab (FRL) de LG Energy Solution.
« Au lieu d’ajouter de nouveaux matériaux ou revêtements, ce travail montre que simplement agencer les matériaux existants avec plus de soin permet au soufre de réagir beaucoup plus efficacement », affirme Seung Bo Yang, chercheur principal chez LG Energy Solution et Fellow industriel visiteur au LESC. « En optimisant la taille des particules et la manière dont les matériaux sont mélangés, la batterie peut fournir une capacité élevée et une puissance pratique dans une conception tout solide. »
Cette nouvelle recherche s’appuie sur les travaux antérieurs du partenariat sur le lithium-soufre, faisant partie de leurs efforts continus pour combiner la sécurité et la stabilité des batteries à l’état solide avec la haute capacité et le faible coût du soufre.
« Les batteries hautes performances n’aident personne si elles restent dans les laboratoires. Pour atteindre nos objectifs énergétiques et climatiques, nous avons besoin qu’elles fonctionnent dans le monde réel. Cela signifie qu’elles doivent être abordables à grande échelle », souligne la Pr Shirley Meng de l’UChicago PME, première auteure correspondante de la nouvelle étude. « Ce partenariat entre l’UChicago PME, l’UC San Diego et LG Energy Solution continue de montrer que le faible coût et les hautes performances ne s’excluent pas mutuellement. En fait, c’est la voie que nous devons poursuivre pour créer un impact réel et durable. »
Broyage en une étape
Une des principales raisons pour lesquelles les constructeurs de véhicules électriques explorent les batteries tout solide est la sécurité. Si elles se fissurent avec l’âge ou lors d’un accident, les batteries avec des composants liquides peuvent être impliquées dans des incidents thermiques.
« La propriété intrinsèque des batteries à l’état solide est que nous remplaçons ces électrolytes liquides organiques inflammables par des électrolytes solides non inflammables », précise Huang. « Tout est sec, pas une seule goutte de liquide. »
Cela signifie que les trois matériaux qui entrent dans une électrode positive à base de soufre – le matériau actif soufre, l’électrolyte solide (SSE) et le carbone conducteur – doivent être sous forme de poudres. Les combiner se fait couramment soit par mélange manuel, soit par un processus de broyage en plusieurs étapes où les trois sont broyés séparément, puis combinés.
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Le mélange manuel a donné de mauvais résultats et le broyage en plusieurs étapes souffrait d’une faible utilisation, impliquant que les particules de soufre et de SSE n’étaient pas en contact suffisamment étroit.
L’équipe a développé un processus de broyage en une étape où les trois matériaux sont broyés ensemble en poudre. En plus de créer un mélange uniforme, cela crée une interphase métastable qui fait réagir partiellement l’électrolyte sulfuré avec le matériau de cathode au soufre, améliorant ainsi les performances.
« En permettant une densité d’énergie plus élevée, cette recherche ouvre la voie à des batteries qui pourraient permettre aux véhicules électriques de parcourir des distances nettement plus longues », indique Yang.
Une découverte majeure a été que les particules de SSE doivent être au niveau du micron pour des performances optimales.
« La taille des particules de l’électrolyte solide compte, car vous combinez des particules solides avec des particules solides. Donc, la manière dont elles s’empilent les unes sur les autres, ou comment elles peuvent être tassées au plus près dans l’empilement de la cellule, cela importe », détaille Huang.
Autres avantages
L’article établit également un plan pour compenser la “respiration”, un phénomène où les matériaux se dilatent et se contractent lors de la charge et de la décharge, ajoutant du stress et de l’usure au fil des cycles de la batterie.
Les électrodes à base de soufre “respirent” de manière opposée aux électrodes nickel-manganèse-cobalt (NMC) plus courantes : lorsque le soufre a tendance à gonfler, le NMC a tendance à rétrécir, et inversement. Les chercheurs ont tiré parti de cela en associant une électrode négative en silicium à une électrode positive en sulfure de lithium. Lorsque la batterie cycle, un côté se dilate tandis que l’autre se contracte, de sorte que leurs changements de volume se compensent partiellement et réduisent le changement net d’épaisseur de l’empilement.
Ce comportement complémentaire aide la cellule à rester mécaniquement plus stable et limite l’accumulation de stress. En pratique, l’équarie associe le Si au Li₂S, et le Si lithié (LiₓSi) au soufre, de sorte que ce mécanisme de changement de volume déphasé est maintenu dans les états de réaction pertinents.
« La collaboration entre l’industrie et le monde universitaire est essentielle pour suivre le rythme du marché des batteries en évolution rapide », conclut Yang. « Alors que la demande de véhicules électriques et de stockage d’énergie augmente, combiner l’expertise manufacturière de l’industrie avec la recherche innovante des universités aide à accélérer le développement des technologies de batteries de nouvelle génération. »
Citation : « Une électrode positive lithium-soufre hautement utilisée et pratique rendue possible dans les batteries tout solide », Cronk et al, Nature Communications, 27 février 2026. DOI : 10.1038/s41467-026-69750-0
Article : A highly utilized and practical lithium-sulfur positive electrode enabled in all-solid-state batteries – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : Uchicago
