Des scientifiques ont mis en évidence un nouveau type d’architecture de batterie à haute capacité qui s’appuie sur le sucre pour assurer la stabilité à long terme.
Parmi les nombreux produits chimiques passionnants recherchés pour les batteries de la prochaine génération, le lithium-soufre présente un potentiel important, en raison de sa capacité à stocker jusqu’à cinq fois plus d’énergie que les solutions lithium-ion actuelles. Des scientifiques australiens ont mis au point un nouveau concept pour cette architecture prometteuse, en ajoutant du sucre pour résoudre les problèmes de stabilité inhérents, ce qui permet aux cellules expérimentales de fonctionner pendant plus de 1 000 cycles.
La capacité élevée promise par les batteries au lithium-soufre est un élément que les scientifiques s’efforcent d’exploiter pour des applications courantes, mais elle est freinée par des problèmes de stabilité. L’électrode positive au soufre de la batterie se dilate et se contracte pendant la charge, ce qui la soumet à un stress important et la détériore rapidement. L’électrode négative, quant à elle, est contaminée par des composés soufrés.
L’année dernière, une équipe de chercheurs en batteries de l’université Monash de Melbourne a trouvé une solution à la moitié de ce problème. Les scientifiques ont mis au point un agent de liaison spécial qui crée un espace supplémentaire autour des particules de soufre, ce qui signifie qu’elles ont plus de place pour se dilater en toute sécurité pendant la charge. Le résultat est une batterie lithium-soufre de haute capacité, capable de survivre à plus de 200 cycles.
Les scientifiques se sont maintenant attaqués à l’autre aspect de l’équation, dans lequel l’électrode négative au lithium est effectivement étouffée par le soufre. Cette avancée découle d’une étude de 1988 montrant comment certaines substances à base de sucre peuvent éviter la dégradation des sédiments géologiques en facilitant les liaisons fortes entre les sulfures.
L’objectif était d’appliquer ce principe à une batterie lithium-soufre pour empêcher la libération des chaînes de soufre, appelées polysulfures, de l’électrode positive, qui ont tendance à se déplacer et à former une croissance mousseuse sur l’électrode négative. L’équipe a introduit un additif à base de sucre dans l’architecture en forme de toile de l’électrode, qui agit comme un liant et forme des microstructures en forme de toile qui aident à réguler le comportement des polysulfures gênants. Une cellule expérimentale portant l’additif à base de sucre a démontré une capacité d’environ 700 mAh par gramme, qui s’est maintenue pendant 1 000 cycles.
« Chaque charge dure donc plus longtemps, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie », explique le premier auteur et doctorant Yingyi Huang. « Et la fabrication des batteries ne nécessite pas de matériaux exotiques, toxiques et coûteux. »
Il reste encore quelques problèmes à résoudre avant que les batteries au lithium-soufre ne soient utilisées dans les smartphones et les véhicules électriques, mais l’espoir est qu’elles pourront alors être utilisées pendant des périodes beaucoup plus longues ou sur des distances beaucoup plus grandes entre deux recharges. Les chercheurs affirment que leur technologie a le potentiel de stocker deux à cinq fois plus d’énergie que les batteries au lithium actuelles, et avec cette nouvelle étude, ils pensent avoir franchi une étape clé vers son utilisation dans le monde réel.
« Si notre équipe a résolu bon nombre des problèmes liés à la cathode de la batterie, il reste encore à innover dans la protection de l’anode en lithium métallique pour permettre l’adoption à grande échelle de cette technologie prometteuse – des innovations qui ne sont peut-être pas loin », déclare l’auteur, le Dr Mahdokht Shaibani.
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25612-5?proof=tr
