Il s'agit d'un schéma d'une batterie lithium-soufre avec une photo SEM d'un matériau d'oxyde de silicium et de graphène. Crédit :Berkeley Lab
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont démontré en laboratoire une batterie lithium-soufre (Li/S) qui a plus de deux fois l'énergie spécifique des batteries lithium-ion, et qui dure plus de 1, 500 cycles de charge-décharge avec une diminution minimale de la capacité de la batterie. Il s'agit de la durée de vie la plus longue signalée à ce jour pour une batterie lithium-soufre.
La demande de batteries hautes performances pour les véhicules électriques et hybrides électriques capables d'égaler l'autonomie et la puissance du moteur à combustion encourage les scientifiques à développer de nouvelles chimies de batterie qui pourraient fournir plus de puissance et d'énergie que les batteries lithium-ion, actuellement la chimie de batterie la plus performante sur le marché.
Pour que les véhicules électriques aient une autonomie de 300 milles, la batterie doit fournir une énergie spécifique au niveau de la cellule de 350 à 400 wattheures/kilogramme (Wh/kg). Cela nécessiterait presque le double de l'énergie spécifique (environ 200 Wh/kg) des batteries lithium-ion actuelles. Les batteries devraient également avoir au moins 1, 000, et de préférence 1, 500 cycles de charge-décharge sans montrer une perte notable de puissance ou de capacité de stockage d'énergie.
"Nos cellules peuvent offrir une opportunité substantielle pour le développement de véhicules à zéro émission avec une autonomie similaire à celle des véhicules à essence." dit Elton Cairns, de la Division des technologies énergétiques environnementales (EETD).
Les résultats ont été publiés dans le journal Lettres nano .
Bienfaits du soufre de lithium, et défis
"La chimie des batteries lithium-soufre a attiré l'attention car elle a une énergie spécifique théorique beaucoup plus élevée que les batteries lithium-ion, " dit Cairns. " Les batteries lithium-soufre seraient également souhaitables car le soufre est non toxique, sûr et pas cher, " ajoute-t-il. Les batteries Li/S seraient moins chères que les batteries Li-ion actuelles, et ils seraient moins sujets aux problèmes de sécurité qui ont affecté les batteries Li-ion, comme une surchauffe et un incendie.
Ce graphique montre les résultats des tests de cyclage à long terme de la cellule Li/S avec des cathodes composites S-GO modifiées par CTAB. Ce résultat représente la durée de vie la plus longue (supérieure à 1, 500 cycles) avec un taux de décroissance extrêmement faible (0,039% par cycle) démontré jusqu'à présent pour une cellule Li/S. Crédit :Berkeley Lab
Le développement de la batterie lithium-soufre a aussi ses défis. Pendant la décharge, les polysulfures de lithium ont tendance à se dissoudre de la cathode dans les électrolytes et à réagir avec l'anode de lithium en formant une couche barrière de Li2S. Cette dégradation chimique est l'une des raisons pour lesquelles la capacité des cellules commence à s'estomper après seulement quelques cycles.
Un autre problème avec les batteries Li/S est que la réaction de conversion du soufre en Li2S et inversement fait gonfler et se contracter le volume de l'électrode de soufre jusqu'à 76% pendant le fonctionnement de la cellule, ce qui conduit à une dégradation mécanique des électrodes. Au fur et à mesure que l'électrode de soufre se dilate et se rétrécit pendant le cycle, les particules de soufre peuvent s'isoler électriquement du collecteur de courant de l'électrode.
La conception holistique des cellules s'attaque à la dégradation chimique et mécanique
La cellule prototype conçue par l'équipe de recherche utilise plusieurs technologies électrochimiques pour résoudre cet éventail de problèmes. La cathode est composée d'oxyde de soufre-graphène (S-GO), un matériau développé par l'équipe qui peut s'adapter au changement de volume du matériau actif de l'électrode lorsque le soufre est converti en Li2S lors de la décharge, et retour au soufre élémentaire lors de la recharge.
Pour réduire davantage la dégradation mécanique due au changement de volume pendant le fonctionnement, l'équipe a utilisé un liant élastomère. En associant un liant caoutchouc styrène butadiène (SBR) élastomère à un agent épaississant, la durée de vie du cycle et la densité de puissance de la cellule de batterie ont augmenté considérablement par rapport aux batteries utilisant des liants conventionnels.
Pour résoudre le problème de la dissolution des polysulfures et de la dégradation chimique, l'équipe de recherche a appliqué un revêtement de tensioactif au bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) qui est également utilisé dans les systèmes d'administration de médicaments, colorants, et d'autres procédés chimiques. Le revêtement CTAB sur l'électrode au soufre réduit la capacité de l'électrolyte à pénétrer et à dissoudre le matériau de l'électrode.
Par ailleurs, l'équipe a développé un nouvel électrolyte à base de liquide ionique. Le nouvel électrolyte inhibe la dissolution des polysulfures et aide la batterie à fonctionner à un taux élevé, augmenter la vitesse à laquelle la batterie peut être chargée, et la puissance qu'il peut fournir pendant la décharge. L'électrolyte à base de liquide ionique améliore également considérablement la sécurité de la batterie Li-S, car les liquides ioniques sont non volatils et ininflammables.
La batterie a initialement montré une énergie spécifique à la cellule estimée à plus de 500 Wh/kg et elle l'a maintenue à> 300 Wh/kg après 1, 000 cycles—beaucoup plus élevé que celui des cellules lithium-ion actuellement disponibles, qui est actuellement en moyenne d'environ 200 Wh/kg.
« C'est la combinaison unique de ces éléments dans la chimie et la conception de la cellule qui a conduit à une cellule lithium-soufre dont les performances n'avaient jamais été atteintes en laboratoire auparavant :longue durée de vie, capacité de débit élevé, et une énergie spécifique élevée au niveau cellulaire, " dit Cairns.
L'équipe recherche désormais un soutien pour la poursuite du développement de la cellule Li/S, y compris une utilisation plus élevée du soufre, fonctionnement dans des conditions extrêmes, et mise à l'échelle. Des partenariats avec l'industrie sont recherchés.
Les prochaines étapes du développement consistent à augmenter encore la densité énergétique des cellules, améliorer les performances des cellules dans des conditions extrêmes, et passer à des cellules plus grandes.
