Les batteries lithium-soufre présentent des avantages significatifs par rapport aux batteries lithium-ion actuelles, mais leur adoption a été freinée par des défis techniques. Une découverte récente pourrait changer la donne et rendre ces batteries plus performantes et durables.
Les avantages des batteries lithium-soufre
Les batteries lithium-soufre offrent trois avantages majeurs par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Premièrement, elles peuvent stocker deux à trois fois plus d’énergie dans un même volume, ce qui se traduit par une plus grande autonomie des véhicules. Deuxièmement, leur coût inférieur, facilité par l’abondance et la disponibilité du soufre, les rend économiquement viables.
Enfin, ces batteries ne dépendent pas de ressources critiques telles que le cobalt et le nickel, qui pourraient connaître des pénuries à l’avenir.
Le défi de la durée de vie
Malgré ces avantages, la transition du succès en laboratoire à la viabilité commerciale s’est avérée difficile. Les cellules de laboratoire ont montré des résultats prometteurs, mais lorsqu’elles sont mises à l’échelle commerciale, leur performance diminue rapidement avec les cycles de charge et de décharge répétés.
La cause sous-jacente de ce déclin de performance réside dans la dissolution du soufre de la cathode lors de la décharge, entraînant la formation de polysulfures de lithium solubles (Li2S6). Ces composés s’écoulent dans l’électrode négative en lithium métallique (anode) lors de la charge, aggravant encore le problème.
Par conséquent, la perte de soufre de la cathode et les modifications de la composition de l’anode entravent considérablement la performance de la batterie lors des cycles.
Le rôle clé d’un catalyseur
Dans une étude antérieure, des scientifiques d’Argonne ont développé un matériau catalytique qui, lorsqu’il est ajouté en petite quantité à la cathode de soufre, élimine pratiquement le problème de perte de soufre. Bien que ce catalyseur ait montré des promesses dans les cellules de laboratoire et commerciales, son mécanisme de fonctionnement à l’échelle atomique restait un mystère jusqu’à présent.
Les recherches les plus récentes de l’équipe ont éclairé ce mécanisme. En l’absence du catalyseur, les polysulfures de lithium se forment à la surface de la cathode et subissent une série de réactions, convertissant finalement la cathode en sulfure de lithium (Li2S).
« Mais la présence d’une petite quantité de catalyseur dans la cathode change tout », a déclaré Gui-Liang Xu, chimiste à la division des sciences et de l’ingénierie chimiques d’Argonne. « Une voie de réaction très différente est suivie, sans étapes de réaction intermédiaires. »
Des techniques de pointe pour comprendre le mécanisme
Pour élucider ce mécanisme, les scientifiques ont utilisé des techniques de caractérisation de pointe. L’analyse de la structure du catalyseur avec les faisceaux de rayons X synchrotron de l’Advanced Photon Source a révélé qu’il joue un rôle critique dans la voie de réaction. La structure du catalyseur influe sur la forme et la composition du produit final lors de la décharge, ainsi que sur les produits intermédiaires.
Une autre technique essentielle, développée à l’Université de Xiamen, a permis à l’équipe de visualiser l’interface électrode-électrolyte à l’échelle nanométrique pendant qu’une cellule d’essai fonctionnait. Cette technique nouvellement inventée a aidé à relier les changements à l’échelle nanométrique au comportement d’une cellule en fonctionnement.
En synthèse
La découverte de ce mécanisme de réaction inédit pourrait ouvrir la voie à des batteries lithium-soufre plus performantes et durables. Les chercheurs continueront à explorer cette voie pour concevoir des cathodes de soufre encore meilleures et étudier si ce mécanisme s’applique également à d’autres batteries de nouvelle génération, comme les batteries sodium-soufre.
Pour une meilleure compréhension
Quels sont les avantages des batteries lithium-soufre ?
Les batteries lithium-soufre peuvent stocker plus d’énergie, coûtent moins cher et ne dépendent pas de ressources critiques comme le cobalt et le nickel.
Pourquoi la durée de vie des batteries lithium-soufre est-elle un problème ?
La dissolution du soufre de la cathode et les modifications de la composition de l’anode entravent la performance de la batterie lors des cycles de charge et de décharge.
Quel est le rôle du catalyseur dans la batterie lithium-soufre ?
Le catalyseur modifie la voie de réaction, empêchant la perte de soufre et améliorant la performance de la batterie.
Comment les chercheurs ont-ils étudié le mécanisme de réaction ?
Ils ont utilisé des techniques de caractérisation de pointe, notamment l’analyse de la structure du catalyseur avec des faisceaux de rayons X synchrotron et la visualisation de l’interface électrode-électrolyte à l’échelle nanométrique.
Quelles sont les perspectives pour les batteries lithium-soufre ?
La découverte de ce mécanisme pourrait conduire à des batteries lithium-soufre plus performantes et durables. Les chercheurs exploreront davantage cette voie pour améliorer les cathodes de soufre et étudier si ce mécanisme s’applique également à d’autres types de batteries de nouvelle génération, comme les batteries sodium-soufre.
An article on this research appeared in Nature. In addition to Xu, authors include Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng, Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun and Hong-Gang Liao.
Article : « Visualizing interfacial collective reaction behaviour of Li–S batteries » – DOI: 10.1038/s41586-023-06326-8
