Les batteries lithium-soufre sont considérées comme l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de dispositifs de stockage d'énergie. Elles ont une densité d'énergie gravimétrique théorique cinq fois supérieure à celle des meilleures batteries lithium-ion actuellement disponibles. Et ils fonctionnent même à des températures inférieures à zéro jusqu'à -50 °C. En outre, le soufre est peu coûteux et respectueux de l'environnement.

Cependant, leur capacité jusqu'à présent a fortement chuté à chaque cycle de charge-décharge, de sorte que ces batteries ne durent pas encore longtemps. La perte de capacité est causée par des processus de réaction compliqués au niveau des électrodes à l'intérieur de la cellule de batterie. Il est donc particulièrement important de comprendre exactement comment les produits de charge (soufre) et de décharge (sulfure de lithium) précipitent et se dissolvent. Alors que le soufre précipite macroscopiquement et se prête donc à un examen par des techniques d'imagerie ou de diffraction des rayons X au cours du cyclage, le sulfure de lithium est difficile à détecter en raison de sa granulométrie inférieure à 10 nm.

Pour la première fois, des investigations sur la source de neutrons BER II du HZB ont permis de le comprendre. Le Dr Sebastian Risse a utilisé une cellule de mesure qu'il a développée pour éclairer les batteries lithium-soufre avec des neutrons pendant les cycles de charge et de décharge (operando) et a simultanément effectué des mesures supplémentaires avec la spectroscopie d'impédance.

Cela lui a permis, ainsi qu'à son équipe, d'analyser la dissolution et la précipitation du sulfure de lithium avec une extrême précision pendant dix cycles de décharge/charge. Étant donné que les neutrons interagissent fortement avec le deutérium (hydrogène lourd), les chercheurs ont utilisé un électrolyte deutéré dans la cellule de la batterie pour rendre visibles les deux produits solides (soufre et sulfure de lithium).

Leur conclusion :« Nous avons observé que la précipitation du sulfure de lithium et du soufre n'a pas lieu à l'intérieur des électrodes de carbone microporeux, mais à la place sur la surface extérieure des fibres de carbone, " dit Risse. Ces résultats fournissent un guide précieux pour le développement de meilleures électrodes de batterie.