Des chercheurs allemands percent les secrets de dégradation des batteries Li-soufre

Les batteries lithium-soufre suscitent de nombreux espoirs pour l’avenir de l’énergie, mais des obstacles techniques limitent encore leur adoption à grande échelle. Une équipe de chercheurs a récemment publié des résultats qui pourraient changer la donne en offrant une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation de ces batteries. Découvrez comment ces découvertes pourraient influencer le développement des systèmes de stockage énergétique de demain.

Une équipe composée de chercheurs de l’Institut Helmholtz pour les Matériaux et l’Énergie (HZB) et de l’Institut Fraunhofer pour la Technologie des Matériaux et des Faisceaux (IWS) à Dresde a mené des recherches approfondies sur les cellules lithium-soufre en poche. Grâce à l’utilisation de la BAMline de BESSY II, combinée à des analyses dans le laboratoire d’imagerie de l’HZB et à d’autres mesures, une vision nouvelle des processus qui limitent la performance et la durée de vie de ces batteries industrielles a été révélée.

Avantages des batteries lithium-soufre

Les batteries lithium-soufre présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries lithium conventionnelles : elles utilisent du soufre, matériau abondant, ne nécessitent pas les éléments critiques comme le cobalt ou le nickel et peuvent atteindre des densités énergétiques spécifiques extrêmement élevées. Des prototypes de cellules atteignent déjà jusqu’à 500 Wh/kg, soit presque le double des batteries lithium-ion actuelles.

Cependant, les batteries lithium-soufre sont beaucoup plus sujettes aux processus de dégradation : lors des cycles de charge et de décharge, des polysulfures dissous et des phases de soufre se forment sur l’électrode de lithium, affectant progressivement la performance et la longévité de la batterie. « Nos recherches visent à élucider ces processus pour améliorer ce type de batterie », a indiqué le physicien de l’HZB, Dr. Sebastian Risse, qui dirige une équipe spécialisée dans l’analyse operando des batteries.

Le laboratoire de cellules en poche à l’HZB

Le focus de Risse est posé sur les cellules en poche, un format de batterie largement utilisé dans l’industrie. L’Institut pour le Stockage Électrochimique de l’Énergie (CE-IEES) de l’HZB, dirigé par le Prof. Yan Lu, a établi un laboratoire dédié à la production de batteries lithium-soufre dans ce format spécifique. Ici, les scientifiques peuvent fabriquer et étudier une grande variété de cellules lithium-soufre en poche. Dans le cadre du projet SkaLiS, financé par le BMBF et coordonné par Sebastian Risse, une équipe de l’IWS a publié une étude complète sur ces cellules dans Advanced Energy Materials.

Les cellules de batterie ont été étudiées dans une configuration développée à l’HZB en utilisant diverses méthodes comme la spectroscopie d’impédance, la distribution de température, la mesure de force et l’imagerie par rayons X (source synchrotron et laboratoire) pendant les cycles de charge et de décharge. « Pour la première fois, nous avons pu observer et documenter à la fois la formation de dendrites de lithium et la dissolution et formation de cristallites de soufre pendant le fonctionnement de la batterie multicouche », a expliqué le Dr Rafael Müller, chimiste à l’HZB et premier auteur de l’étude.

Radiographie à contraste de phase à BESSY II

La radiographie à contraste de phase avec une lumière synchrotron cohérente à la BAMline de BESSY II a permis de suivre la morphologie du métal lithium, faiblement absorbant, et de la corréler avec d’autres données de mesure, offrant ainsi une image complète. Les analyses par rayons X dans le laboratoire d’imagerie de l’HZB, réalisées en collaboration avec le groupe d’imagerie du Dr Ingo Manke, ont également permis d’analyser la formation de cristaux de soufre fortement absorbants pendant le fonctionnement de la batterie.

« Nos résultats relient la recherche fondamentale au transfert technologique et permettent notamment de tirer des conclusions sur l’évolutivité de cette technologie de batterie et le développement futur des systèmes de batteries à haute énergie », a affirmé Sebastian Risse. Parmi d’autres découvertes, l’équipe a montré qu’une nouvelle approche de conception par l’IWS de Dresde est prometteuse : un collecteur de courant de cathode perforé, donc significativement plus léger, n’altère pas la performance de la cellule.

Les résultats de cette étude aideront à optimiser la performance et la durée de vie des batteries lithium-soufre, permettant ainsi à ce type de batterie de répondre aux besoins des systèmes de stockage d’énergie mobiles et stationnaires.

Légende illustration : la ligne diagonale divise l’image en une photo de la cellule à poche de lithium-soufre (à gauche) et l’image radiographique correspondante (à droite) pendant la mesure multimodale avec le capteur de force (doré) et les capteurs de température. La structure en nid d’abeille perforée du collecteur de courant est clairement visible sur l’image radiographique. Cette nouvelle approche de conception permet de réduire le poids de la cellule sans en compromettre les performances. crédit : R. Müller/ HZB

Article : ‘Multimodal Operando Analysis of Lithium Sulfur Multilayer Pouch Cells: An In-depth Investigation on Cell Component Design and Performance’ / ( 10.1002/aenm.202404256 ) –
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie – Publication dans la revue Advanced Energy Materials