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Si les batteries lithium-ion sont aujourd’hui le pilier des véhicules électriques, elles présentent certains inconvénients. Ils ont tendance à surchauffer et ils ne durent pas toujours aussi longtemps que nous le souhaiterions. De plus, certaines des matières premières sont rares, ce qui signifie que le coût de leur fabrication augmente plutôt que de baisser comme prévu en raison des économies d’échelle.
Les scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie recherchent des solutions à ces problèmes en testant de nouveaux matériaux dans la construction de batteries. L’un de ces matériaux est le soufre, qui est abondant et rentable. Il peut également stocker beaucoup plus d’énergie que les batteries lithium-ion traditionnelles. Les chercheurs affirment que 2600 Wh par kilogramme est possible.
Dans une récente étude publiée dans la revue Communication Nature, les chercheurs ont rendu compte des progrès de la recherche sur les batteries à base de soufre réalisés en créant une couche dans la batterie qui ajoute une capacité de stockage d’énergie tout en éliminant presque un problème traditionnel avec les batteries au soufre qui provoquait la corrosion. « Ces résultats démontrent qu’une couche intermédiaire redox-active pourrait avoir un impact énorme sur le développement des batteries Li-S. Nous sommes sur le point de voir cette technologie dans notre vie quotidienne », déclare Wenqian Xu, membre de l’équipe de recherche.
La nouvelle conception de batterie prometteuse associe une électrode positive infusée de soufre à une électrode négative au lithium-métal. Entre ces composants se trouve l’électrolyte – la substance qui permet aux ions de passer entre les deux extrémités de la batterie. Les premières batteries au lithium-soufre ne fonctionnaient pas bien car les polysulfures se dissolvaient dans l’électrolyte, provoquant de la corrosion. Cet effet de navette de polysulfure a un impact négatif sur la durée de vie de la batterie et réduit le nombre de fois que la batterie peut être rechargée.
Pour empêcher cette navette de polysulfure, les chercheurs ont essayé de placer une couche intermédiaire redox-inactive entre la cathode et l’anode. Le terme « redox-inactif » signifie que le matériau ne subit pas de réactions comme celles d’une électrode. Mais cet intercalaire de protection est lourd et dense, réduisant la capacité de stockage d’énergie par unité de poids de la batterie. Il ne réduit pas non plus suffisamment les navettes, qui se sont avérées être un obstacle majeur à la commercialisation des batteries lithium-soufre.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé et testé une couche intermédiaire poreuse infusée de soufre. Des tests en laboratoire ont montré une capacité initiale environ trois fois plus élevée dans les cellules lithium-soufre avec cette couche intermédiaire active – par opposition à inactive. Les cellules avec l’inter couche active ont maintenu une capacité élevée sur 700 cycles de charge/décharge.
« Des expériences précédentes avec des cellules ayant la couche redox-inactive ne supprimaient que la navette, mais ce faisant, elles sacrifiaient l’énergie pour un poids cellulaire donné car la couche ajoutait un poids supplémentaire », explique Guiliang Xu, chimiste argonnais et co-auteur de le papier. « En revanche, notre couche redox-active ajoute à la capacité de stockage d’énergie et supprime l’effet de navette. »
Pour étudier plus avant la couche redox-active, l’équipe a mené des expériences à l’Advanced Photon Source d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les données recueillies lors de l’exposition des cellules avec cette couche à des faisceaux de rayons X ont permis à l’équipe de déterminer les avantages de l’intercouche.
Les données ont confirmé qu’une couche intermédiaire redox-active peut réduire les navettes, réduire les réactions néfastes au sein de la batterie et augmenter la capacité de la batterie à conserver plus de charge et à durer plus de cycles. « Ces résultats démontrent qu’une couche intermédiaire redox-active pourrait avoir un impact énorme sur le développement de la batterie Li-S », déclare Wenqian Xu, « Nous sommes sur le point de voir cette technologie dans notre vie quotidienne. » À l’avenir, l’équipe souhaite évaluer le potentiel de croissance de la technologie d’intercouche redox-active. « Nous voulons essayer de le rendre beaucoup plus fin, beaucoup plus léger », déclare Guiliang Xu,
En résumé, les chercheurs écrivent: «Nous proposons un concept de couche intermédiaire polaire et redox-active pour les batteries Li-S à haute énergie et à long cycle, dans lequel le soufre est intégré dans une silice mésoporeuse ordonnée par plaquettes polaires pour former une couche intermédiaire. Fait intéressant, le stockage/piégeage du soufre se produit au niveau de la silice polaire lors du transfert d’électrons au niveau de l’agent conducteur dans pOMS/Sx IL pendant la charge-décharge.
« Au cours des processus électrochimiques, cette couche intermédiaire remplit non seulement le rôle d’empêcher efficacement la navette des polysulfures à longue chaîne, mais contribue également à améliorer la capacité surfacique de la cellule. La cellule avec une couche intermédiaire optimale offre une capacité surfacique de > 10 mAh cm−2 avec l’avantage d’une charge élevée en soufre de > 10 mg cm−2 et d’une cyclabilité stable pendant 700 cycles, même sous un cycle de courant spécifique élevé et un faible rapport électrolyte/soufre. Ces attributs peuvent augmenter l’énergie spécifique pratique des batteries Li-S.
A propos du Laboratoire National d’Argonne
Argonne est le premier laboratoire national américain. Il cherche des solutions aux problèmes nationaux urgents en science et technologie et mène des recherches scientifiques fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d’Argonne travaillent en étroite collaboration avec des chercheurs de centaines d’entreprises, d’universités et d’agences fédérales, étatiques et municipales pour les aider à résoudre leurs problèmes spécifiques, faire progresser le leadership scientifique américain et préparer la nation à un avenir meilleur.
L’une de ses principales ressources est l’installation Advanced Photon Source qui fournit des faisceaux de rayons X à haute luminosité à une communauté diversifiée de chercheurs en science des matériaux, en chimie, en physique de la matière condensée, en sciences de la vie et de l’environnement et en recherche appliquée. Ces rayons X sont parfaitement adaptés aux explorations de matériaux et de structures biologiques ; distribution élémentaire; états chimiques, magnétiques, électroniques ; et un large éventail de systèmes d’ingénierie technologiquement importants.
Cela comprend les dispositifs d’insertion qui produisent des rayons X d’une luminosité extrême prisés par les chercheurs, les lentilles qui focalisent les rayons X jusqu’à quelques nanomètres, l’instrumentation qui maximise la façon dont les rayons X interagissent avec les échantillons étudiés et les logiciels qui rassemblent et gère la quantité massive de données résultant de la recherche de découverte à l’APS, qui a joué un rôle déterminant dans le soutien de la recherche sur les batteries au lithium-soufre décrite ci-dessus.
Recherche sur le lithium-soufre dans le monde
De nombreux chercheurs sur les batteries étudient la faisabilité des batteries au soufre, principalement parce que le soufre est l’un des matériaux les plus abondants et les plus facilement disponibles sur Terre. Alors que les batteries lithium-ion ont étonnamment bien réussi à lancer la révolution des véhicules électriques, elles ne sont qu’un précurseur des batteries qui nous attendent dans les années à venir.
Des chercheurs australiens explorent des batteries qui combinent le soufre et le sodium. Theionm, une startup allemande de batteries, poursuit également des recherches sur le lithium-soufre alors que de telles batteries pourraient tripler l’autonomie des véhicules électriques. Il y a un an, nous avons rendu compte des recherches menées à l’Université du Michigan sur les batteries au lithium-soufre dont on dit qu’elles durent jusqu’à 1000 cycles de charge/décharge.
Le problème, comme toujours, est de sortir la technologie de batterie avancée du laboratoire et de la produire commercialement. Il y a cinq ans, nous avons rendu compte de recherches au MIT qui promettaient des batteries au lithium-soufre pour des applications de stockage à l’échelle du réseau. À notre connaissance, aucune application commerciale n’a encore résulté de cette recherche. La partie fascinante des études du MIT était l’affirmation selon laquelle ces batteries ne coûteraient que 1% des batteries lithium-ion conventionnelles. Pouvez-vous imaginer comment que perturberait l’industrie des services publics !
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