Les batteries lithium-soufre sont des candidats prometteurs pour remplacer les batteries lithium-ion courantes dans les véhicules électriques car elles sont moins chères, peser moins, et peut stocker presque le double de l'énergie pour la même masse. Cependant, les batteries lithium-soufre deviennent instables avec le temps, et leurs électrodes se détériorent, limitant l'adoption généralisée.

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a signalé qu'un nouveau composant de batterie lithium-soufre permet de doubler la capacité par rapport à une batterie lithium-soufre conventionnelle, même après plus de 100 cycles de charge à des densités de courant élevées, qui sont des indicateurs de performance clés pour leur adoption dans les véhicules électriques (VE) et dans l'aviation.

Ils l'ont fait en concevant un nouveau liant polymère qui régule activement les processus clés de transport d'ions au sein d'une batterie lithium-soufre, et ont également montré comment il fonctionne au niveau moléculaire. Le travail a été récemment rapporté dans Communication Nature .

"Le nouveau polymère agit comme un mur, " a déclaré Brett Helms, membre du personnel scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab et auteur correspondant de l'étude. "Le soufre est chargé dans les pores d'un hôte carboné, qui sont ensuite scellés par notre polymère. Comme le soufre participe aux réactions chimiques de la batterie, le polymère empêche les composés soufrés chargés négativement de s'échapper. La batterie est très prometteuse pour permettre la prochaine génération de véhicules électriques. »

Lorsqu'une batterie lithium-soufre stocke et libère de l'énergie, la réaction chimique produit des molécules mobiles de soufre qui se déconnectent de l'électrode, l'amenant à se dégrader et finalement à réduire la capacité de la batterie au fil du temps. Pour rendre ces batteries plus stables, les chercheurs ont traditionnellement travaillé pour développer des revêtements protecteurs pour leurs électrodes, et développer de nouveaux liants polymères qui agissent comme la colle maintenant les composants de la batterie ensemble. Ces liants sont destinés à contrôler ou atténuer le gonflement et la fissuration de l'électrode.

Le nouveau classeur va encore plus loin. Des chercheurs du laboratoire de synthèse organique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche spécialisé dans la science à l'échelle nanométrique, conçu un polymère pour maintenir le soufre à proximité immédiate de l'électrode en liant sélectivement les molécules de soufre, contrecarrer ses tendances migratoires.

L'étape suivante consistait à comprendre les changements structurels dynamiques susceptibles de se produire pendant la charge et la décharge ainsi qu'à différents états de charge. David Prendergast, qui dirige l'installation de théorie de la fonderie, et Tod Pascal, un scientifique du projet à la Theory Facility, construit une simulation pour tester les hypothèses des chercheurs sur le comportement du polymère.

« Nous pouvons désormais modéliser de manière fiable et efficace la chimie du soufre au sein de ces liants sur la base de l'apprentissage à partir de simulations mécaniques quantiques détaillées des produits contenant du soufre dissous, " a déclaré Prendergast.

Leurs simulations de dynamique moléculaire à grande échelle, menée sur des ressources de supercalcul au Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), a confirmé que le polymère a une affinité pour lier les molécules mobiles de soufre, et a également prédit que le polymère montrerait probablement une préférence pour la liaison de différentes espèces de soufre à différents états de charge pour la batterie. Des expériences menées à la source de lumière avancée du laboratoire de Berkeley et au laboratoire de découverte d'électrochimie du laboratoire national d'Argonne ont confirmé ces prédictions.

L'équipe de recherche a poussé son étude plus loin en examinant également les performances des cellules lithium-soufre fabriquées avec le nouveau liant polymère. Grâce à un ensemble d'expériences, ils ont pu analyser et quantifier comment le polymère affecte la vitesse de réaction chimique dans la cathode de soufre, ce qui est essentiel pour atteindre une densité de courant élevée et une puissance élevée avec ces cellules.

En doublant presque la capacité électrique de la batterie sur un cycle de longue durée, le nouveau polymère relève la barre de la capacité et de la puissance des batteries lithium-soufre.

La compréhension combinée de la synthèse, théorie, et les caractéristiques du nouveau polymère en ont fait un élément clé du prototype de pile lithium-soufre du Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie (JCESR) du DOE.