(Phys.org)—Le monde des piles rechargeables est plein de compromis. Alors que les batteries lithium-ion (Li-ion) sont actuellement les plus performantes sur le plan commercial, leur faible densité énergétique ne permet pas une longue autonomie. Ils sont aussi très chers, représentant souvent la moitié du prix des véhicules électriques. Une alternative est les batteries lithium-soufre (Li-S), qui sont attrayantes pour leur densité d'énergie gravimétrique élevée qui leur permet de stocker plus d'énergie que les batteries Li-ion. Et bien qu'ils utilisent encore du lithium, le composant de soufre leur permet d'être beaucoup moins cher que les batteries Li-ion. Mais l'un des plus gros inconvénients des batteries Li-S est leur courte durée de vie, ce qui leur fait perdre une grande partie de leur capacité à chaque fois qu'ils sont rechargés.

Désormais une équipe de chercheurs dirigée par Yi Cui, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford, a développé une batterie Li-S pouvant conserver plus de 80% de sa capacité de 1180 mAh/g sur 300 cycles, avec un potentiel de rétention de capacité similaire sur des milliers de cycles. En revanche, la plupart des batteries Li-S perdent une grande partie de leur capacité après quelques dizaines de cycles.

Pour parvenir à cette amélioration, les chercheurs ont d'abord identifié un nouveau mécanisme qui provoque une diminution de la capacité des batteries Li-S après un cycle. Pour qu'une batterie Li-S se recharge avec succès, le sulfure de lithium dans la cathode doit être lié à la surface de la cathode - dans ce cas, la surface interne de la nanofibre de carbone creuse qui l'encapsule. Cette liaison crée un bon contact électrique pour permettre le flux de charge. Mais les chercheurs ont découvert que, pendant le processus de décharge, le sulfure de lithium se détache du carbone, entraînant une perte de contact électrique qui empêche la batterie de se recharger complètement.

Avant maintenant, il a été très difficile d'étudier la cathode de soufre à l'échelle nanométrique en raison de la sensibilité du composé de soufre à l'air et à l'humidité, ainsi que sa tendance à se sublimer sous vide. Mais la structure creuse en nanofibres de carbone de l'anode - que les chercheurs ont développée dans une étude précédente - protège le soufre, qui a permis aux chercheurs de visualiser la cathode à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET) sans endommager de manière significative l'échantillon.

Après avoir identifié le problème, les chercheurs ont entrepris de le fixer en ajoutant des polymères à la surface des nanofibres de carbone afin de modifier l'interface carbone-soufre. Les polymères sont amphiphiles, ce qui signifie qu'ils sont à la fois hydrophiles (qui aiment l'eau) et lipophiles (qui aiment les graisses), semblable au savon. Cette propriété confère aux polymères des points d'ancrage qui permettent aux sulfures de lithium de se lier fortement à la surface du carbone afin de maintenir des contacts électriques forts.

Comme les expériences l'ont montré, les cathodes au soufre contenant les polymères amphiphiles avaient des performances très stables, avec moins de 3% de baisse de capacité au cours des 100 premiers cycles, et moins de 20 % de décroissance pendant plus de 300 cycles.

Bien que l'amélioration soit un grand pas en avant, la rétention de capacité ne se compare toujours pas aux batteries Li-ion, dont certains ont une durée de vie proche de 10, 000 cycles. Afin d'éviter d'avoir à remplacer la batterie toutes les quelques années, les véhicules électriques nécessitent ces durées de vie plus longues. Mais Cui dit que les batteries Li-S ont le potentiel de combler cet écart dans un avenir prévisible.

"En utilisant l'idée du polymère amphiphile ici dans cet article, avec la conception et la synthèse de matériaux à l'échelle nanométrique, il est possible d'améliorer la durée de vie jusqu'à 10, 000 cycles, " Cui a dit Phys.org . "Mon groupe travaille là-dessus. Nos récents résultats sur la conception de nanomatériaux sont déjà passés à 1000 cycles."

À l'avenir, Cui pense que les batteries Li-S donneront aux batteries Li-ion une concurrence sérieuse.

"Les batteries Li-S deviennent assez prometteuses pour les véhicules électriques, " at-il dit. " Le cycle de vie doit encore s'améliorer. Le problème de sécurité des anodes au lithium métal doit être résolu. Il est possible de contourner les anodes métalliques Li avec des anodes Si."

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