Les batteries au lithium-soufre offrent un grand potentiel pour alimenter les véhicules électriques, et des scientifiques japonais ont trouvé une solution à l’un de leurs principaux problèmes.
Avec le type de densité énergétique qui permettrait aux smartphones de fonctionner pendant cinq jours ou aux avions électriques de voler deux fois plus loin, les batteries au lithium-soufre offrent un potentiel énorme, mais leurs instabilités inhérentes constituent un obstacle majeur à leur adoption à grande échelle. Des scientifiques japonais ont proposé une solution prometteuse à ce problème, en intégrant un nouveau matériau éponge qui permet à un prototype de batterie lithium-soufre d’endurer des centaines de cycles en toute sécurité.
Par rapport aux batteries lithium-ion qui alimentent une grande partie de la société moderne, les batteries lithium-soufre sont plus légères et offrent jusqu’à cinq fois plus d’énergie par poids, ce qui les rend particulièrement adaptées à une utilisation dans les véhicules électriques. La densité d’énergie est une question essentielle pour ces applications, car l’autonomie des voitures, des camions et surtout des avions électriques est limitée par la quantité d’énergie qui peut être contenue dans leurs très lourdes batteries.
« Les batteries au lithium-soufre peuvent stocker plus d’énergie que les batteries au lithium-ion déjà disponibles dans le commerce », explique Hui Zhang, premier auteur de la nouvelle étude. « Pour donner un ordre d’idée, un véhicule électrique fonctionnant avec des batteries au lithium-ion peut parcourir en moyenne 300 km avant de devoir être rechargé. Avec l’amélioration du stockage de l’énergie fournie par les batteries au lithium-soufre, il devrait être possible d’étendre cette distance à 500 km. »
Bien que leur potentiel soit évident, les scientifiques qui travaillent sur les batteries lithium-soufre de nouvelle génération se sont heurtés à des problèmes de stabilité, qui peuvent entraîner une détérioration rapide des composants clés et une défaillance rapide du dispositif. Cette nouvelle recherche, menée par des spécialistes des matériaux de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, s’attaque à la formation de polysulfures qui réduisent considérablement la durée de vie de la batterie.
À l’intérieur de la batterie, une réaction chimique entre le lithium et le soufre crée d’abord du polysulfure de lithium, qui a ensuite tendance à se dissoudre rapidement dans les polysulfures gênants. Dans une batterie lithium-soufre parfaite, le polysulfure de lithium doit se transformer en sulfure de lithium ou en persulfure de lithium le plus rapidement possible, et l’équipe pense avoir mis au point ce qu’il faut pour accélérer les choses.
Diagramme représentant l’éponge poreuse mise au point par les scientifiques de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, composée de nanotubes de carbone recouverts de nitrure de titane et de dioxyde de titane.
Les scientifiques ont créé une éponge poreuse à l’échelle nanométrique à partir de nanotubes de carbone et l’ont recouverte de nitrure de titane et de dioxyde de titane, ce qui lui confère certaines propriétés utiles. Le nitrure de titane sert à accélérer la conversion du polysulfure de lithium en produit fini, tandis que le dioxyde de titane absorbe les polysulfures indésirables créés au cours du processus.
« En utilisant ces deux matériaux, nous avons développé un hybride à faible coût et facile à appliquer », explique le Dr Luis Ono, deuxième auteur de cette étude. « Nous avons constaté qu’il avait une excellente capacité à améliorer les performances de la batterie ».
La batterie résultante a présenté une performance améliorée par rapport aux versions sans le matériau éponge hybride, avec un temps de charge plus court, un temps plus long entre les charges grâce à une capacité spécifique élevée et, surtout, une plus grande durée de vie globale avec une capacité à endurer 200 cycles sans perte d’efficacité.
« Nous allons continuer à optimiser les matériaux pour améliorer les performances », déclare le professeur Yabing Qi, auteur principal de l’étude. « De nombreux esprits brillants travaillent sur les batteries au lithium-soufre et c’est une technologie vraiment prometteuse et passionnante. »
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24976-y
