Les chercheurs du monde entier sont à la recherche de batteries puissantes mais plus petites et plus légères que les versions actuelles, permettant potentiellement aux voitures électriques de voyager plus loin ou aux appareils électroniques portables de fonctionner plus longtemps sans recharge. Maintenant, des chercheurs du MIT et en Chine disent avoir fait une avancée majeure dans ce domaine, avec une nouvelle version d'un composant clé pour les batteries au lithium, la cathode.

L'équipe décrit son concept comme une cathode "hybride", parce qu'il combine des aspects de deux approches différentes qui ont été utilisées auparavant, un pour augmenter la production d'énergie par livre (densité d'énergie gravimétrique), l'autre pour l'énergie par litre (densité énergétique volumétrique). La combinaison synergique, ils disent, produit une version qui offre les avantages des deux, et plus.

Le travail est décrit aujourd'hui dans la revue Énergie naturelle , dans un article de Ju Li, un professeur du MIT en science et ingénierie nucléaires et en science et ingénierie des matériaux; Weijiang Xue, un post-doctorant du MIT; et 13 autres.

Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui ont tendance à utiliser des cathodes (l'une des deux électrodes d'une batterie) constituées d'un oxyde de métal de transition, mais les batteries à cathodes en soufre sont considérées comme une alternative prometteuse pour réduire le poids. Aujourd'hui, les concepteurs de batteries lithium-soufre sont confrontés à un compromis.

Les cathodes de ces batteries sont généralement fabriquées de deux manières, appelés types d'intercalation ou types de conversion. Types d'intercalation, qui utilisent des composés tels que l'oxyde de lithium cobalt, fournissent une densité d'énergie volumétrique élevée - emballant beaucoup de punch par volume en raison de leurs densités élevées. Ces cathodes peuvent conserver leur structure et leurs dimensions tout en incorporant des atomes de lithium dans leur structure cristalline.

L'autre approche cathodique, appelé le type de conversion, utilise du soufre qui se transforme structurellement et est même temporairement dissous dans l'électrolyte. "Théoriquement, ces [batteries] ont une très bonne densité d'énergie gravimétrique, " dit Li. "Mais la densité volumétrique est faible, " en partie parce qu'ils ont tendance à nécessiter beaucoup de matériaux supplémentaires, comprenant un excès d'électrolyte et de carbone, utilisé pour fournir la conductivité.

Dans leur nouveau système hybride, les chercheurs ont réussi à combiner les deux approches dans une nouvelle cathode qui incorpore à la fois un type de sulfure de molybdène appelé phase de Chevrel, et du soufre pur, qui, ensemble, semblent fournir les meilleurs aspects des deux. Ils ont utilisé des particules des deux matériaux et les ont comprimées pour fabriquer la cathode solide. "C'est comme l'amorce et le TNT dans un explosif, un à action rapide, et un avec une énergie plus élevée par poids, " dit Li.

Entre autres avantages, la conductivité électrique du matériau combiné est relativement élevée, réduisant ainsi le besoin en carbone et abaissant le volume global, dit Li. Les cathodes au soufre typiques sont composées de 20 à 30 pour cent de carbone, il dit, mais la nouvelle version n'a besoin que de 10 pour cent de carbone.

L'effet net de l'utilisation du nouveau matériau est substantiel. Les batteries lithium-ion commerciales d'aujourd'hui peuvent avoir des densités d'énergie d'environ 250 watts-heures par kilogramme et 700 watts-heures par litre, tandis que les batteries lithium-soufre plafonnent à environ 400 watts-heures par kilogramme, mais seulement 400 watts-heures par litre. La nouvelle version, dans sa version initiale qui n'a pas encore fait l'objet d'un processus d'optimisation, peut déjà atteindre plus de 360 ​​wattheures par kilogramme et 581 wattheures par litre, dit Li. Il peut battre à la fois les batteries lithium-ion et lithium-soufre en termes de combinaison de ces densités d'énergie.

Avec d'autres travaux, il dit, "nous pensons que nous pouvons arriver à 400 watts-heures par kilogramme et 700 watts-heures par litre, " avec ce dernier chiffre égalant celui du lithium-ion. Déjà, l'équipe est allée plus loin que de nombreuses expériences de laboratoire visant à développer un prototype de batterie à grande échelle :au lieu de tester de petites piles boutons avec des capacités de quelques milliampères-heures seulement, ils ont produit une cellule de poche à trois couches (une sous-unité standard dans les batteries pour des produits tels que les véhicules électriques) d'une capacité de plus de 1, 000 milliampères-heures. Ceci est comparable à certaines batteries commerciales, indiquant que le nouveau dispositif correspond à ses caractéristiques prévues.

Jusque là, la nouvelle cellule n'est pas tout à fait à la hauteur de la longévité des batteries lithium-ion en termes de nombre de cycles de charge-décharge qu'elle peut subir avant de perdre trop de puissance pour être utile. Mais cette limitation n'est « pas le problème de la cathode »; cela a à voir avec la conception globale de la cellule, et "nous y travaillons, " dit Li. Même dans sa forme primitive actuelle, il dit, « cela peut être utile pour certaines applications de niche, comme un drone à longue portée, " où le poids et le volume comptent plus que la longévité.

"Je pense que c'est une nouvelle arène pour la recherche, " dit Li.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.