Performance accrue des batteries au soufre-lithium

Au Canada, un laboratoire de l’Université de Waterloo a réalisé un prototype de batterie au lithium qui peut emmagasiner et libérer plus de trois fois l’énergie des batteries au lithium-ion classiques. Les résultats sont publiés dans l’édition électronique de Nature Materials du 17 mai.

Les chimistes travaillent depuis des années sur cette combinaison soufre-lithium car les propriétés chimiques des deux éléments génèrent des densités d’énergie très élevées.

De plus le soufre demeure moins coûteux qu’un grand nombre d’autres matériaux utilisés actuellement dans les batteries au lithium. Cette association devrait permettre de stocker et le transporter l’énergie dans une batterie rechargeable fiable, low cost et de longue durée.

"Le problème a toujours été la cathode, c’est-à-dire la partie de la batterie qui emmagasine et libère les électrons au cours des cycles de charge et de recharge", explique le professeur Linda Nazar. "Pour permettre une réaction électrochimique réversible aux taux élevés actuels, le soufre électroniquement actif doit rester en contact étroit avec un conducteur, comme le carbone."

L’équipe de recherche canadienne a devancé la performance d’autres combinaisons de carbone et de soufre en résolvant le problème du contact à l’échelle nanométrique. Ils ont choisi pour leur étude de validation de principe un membre très structuré et poreux de la famille du carbone appelé carbone mésoporeux. À cette échelle, ce type de carbone a des pores d’un diamètre et d’un volume très uniformes.

À l’aide d’une méthode de coulée manométrique, l’équipe de recherche a assemblé une structure faite de tiges de carbone de 6,5 nanomètres d’épaisseur séparées par des canaux vides de trois à quatre nanomètres de largeur. Les micro fibres de carbone qui enjambent les canaux les gardent ouverts et empêchent l’effondrement de l’architecture.

Le remplissage des vides minuscules s’est révélé simple. Le soufre est chauffé et fondu. Une fois en contact avec le carbone, il est tiré ou s’imbibe par capillarité dans les canaux, où il se solidifie et rétrécit pour former des nanofibres de soufre. Des coupes faites au microscope électronique à balayage ont révélé que tous les espaces étaient uniformément remplis de soufre, exposant au carbone une énorme superficie de l’élément actif et entraînant les résultats exceptionnels obtenus aux essais de la nouvelle batterie.

"Ce composite peut fournir près de 80 % de la capacité théorique du soufre, laquelle correspond à trois fois la densité d’énergie fournie par les cathodes à oxydes ayant comme métal de transition le lithium, à des taux raisonnables et avec une bonne stabilité cyclique", indique Mme Nazar.

En outre, selon les chercheurs, la grande capacité du carbone à incorporer les matériaux actifs ouvre la porte à des composites semblables " imbibés " qui pourraient avoir des applications dans de nombreux domaines de la science des matériaux.