Pliée ou coupée, cette batterie au lithium-soufre continue à fonctionner

Les batteries rechargeables connaissent une évolution significative grâce aux efforts constants des chercheurs. Une équipe scientifique a récemment mis au point une batterie lithium-soufre novatrice, susceptible de transformer l’alimentation des appareils portables.

Les batteries lithium-ion, omniprésentes dans les appareils portables comme les jouets, les aspirateurs à main et les vélos électriques, présentent des limites en termes de longévité et de sécurité. Pour surmonter ces obstacles, des scientifiques ont élaboré une batterie lithium-soufre (Li-S) équipée d’une cathode en sulfure de fer perfectionnée.

Deux prototypes ont été conçus, chacun offrant des caractéristiques remarquables. Le premier maintient une stabilité élevée sur 300 cycles de charge-décharge, tandis que le second reste fonctionnel même après avoir subi une déformation ou une coupure. Ces performances impressionnantes élargissent le champ des possibilités pour l’utilisation des batteries Li-S dans divers dispositifs électroniques.

Le soufre : un matériau économique aux performances prometteuses

Le soufre est envisagé comme composant pour les batteries lithium-ion en raison de son coût abordable et de sa capacité potentielle à emmagasiner davantage d’énergie que les oxydes métalliques de lithium et autres matériaux utilisés dans les versions traditionnelles à ions. Pour renforcer la stabilité des batteries Li-S à haute température, l’utilisation d’un électrolyte à base de carbonate a été précédemment proposée pour séparer les deux électrodes (une cathode en sulfure de fer et une anode contenant du lithium métallique).

La dissolution du sulfure de la cathode dans l’électrolyte engendre toutefois un précipité impénétrable, entraînant une perte rapide de capacité de la cellule. L’équipe de recherche dirigée par Liping Wang s’est interrogée sur la possibilité d’ajouter une couche entre la cathode et l’électrolyte pour atténuer cette corrosion sans compromettre les fonctions et la recharge de la batterie.

Une approche innovante : le revêtement polymère

Les chercheurs ont expérimenté différents polymères pour revêtir les cathodes en sulfure de fer. Les tests de performance électrochimique initiaux ont révélé que l’acide polyacrylique (PAA) offrait les résultats les plus probants, préservant la capacité de décharge de l’électrode après 300 cycles de charge-décharge.

L’équipe a ensuite intégré une cathode en sulfure de fer revêtue de PAA dans un prototype de batterie comprenant également un électrolyte à base de carbonate, une feuille de lithium métallique comme source d’ions et une anode à base de graphite. Deux types de prototypes ont été produits et évalués : des batteries de type «pouch cell» et « coin cell ».

Des résultats encourageants pour l’avenir des batteries

Après plus de 100 cycles de charge-décharge, Liping Wang et ses collègues n’ont constaté aucune dégradation notable de la capacité dans la batterie de type «pouch cell». Des expériences complémentaires ont démontré que cette batterie continuait de fonctionner même après avoir été pliée et sectionnée en deux. La batterie de type « coin cell » a conservé 72 % de sa capacité après 300 cycles de charge-décharge.

Les scientifiques ont également appliqué le revêtement polymère à des cathodes fabriquées à partir d’autres métaux, créant ainsi des batteries lithium-molybdène et lithium-vanadium. Ces cellules ont également maintenu une capacité stable sur 300 cycles de charge-décharge.

D’après l’équipe de Liping Wang, les résultats indiquent que les cathodes revêtues pourraient non seulement produire des batteries Li-S plus sûres avec une longue durée de vie, mais également des batteries efficaces avec d’autres sulfures métalliques. Le chercheur a ajouté : «Ces progrès laissent entrevoir de nouvelles possibilités pour le développement de batteries plus performantes et plus durables dans un large éventail d’applications.»

Légende illustration : Cette pile au sulfure de fer-lithium peut être pliée (image du haut) ou coupée (image du bas) et continuer à fournir de l’énergie.

Article : « Chelating-Type Binders toward Stable Cycling and High-Safety Transition-Metal Sulfide-Based Lithium Batteries » – DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01907