Une illustration de la conception de Chalmers pour une batterie au lithium-soufre. La qualité hautement poreuse de l'aérogel de graphène permet un trempage suffisamment élevé de soufre pour que le concept de catholyte en vaille la peine. Crédit :Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
Pour répondre aux exigences d'un futur électrique, les nouvelles technologies de batterie seront essentielles. Une option est les batteries au lithium-soufre, qui offrent une densité énergétique théorique plus de cinq fois supérieure à celle des batteries lithium-ion. Chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, a récemment dévoilé une percée prometteuse pour ce type de batterie, à l'aide d'un catholyte à l'aide d'une éponge de graphène.
L'idée originale des chercheurs est un poreux, aérogel en forme d'éponge composé d'oxyde de graphène réduit qui agit comme une électrode autonome dans la cellule de la batterie et permet une utilisation meilleure et plus élevée du soufre.
Une batterie traditionnelle se compose de quatre parties. D'abord, il y a deux électrodes de support recouvertes d'une substance active, qui sont connus comme une anode et une cathode. Entre eux se trouve un électrolyte, généralement un liquide, permettant aux ions d'être transférés dans les deux sens. Le quatrième composant est un séparateur, qui agit comme une barrière physique, empêchant le contact entre les deux électrodes tout en permettant le transfert d'ions.
Les chercheurs ont précédemment expérimenté la combinaison de la cathode et de l'électrolyte en un seul liquide, un soi-disant « catholyte ». Le concept peut aider à économiser du poids dans la batterie, ainsi que d'offrir une charge plus rapide et de meilleures capacités d'alimentation. Maintenant, avec le développement de l'aérogel de graphène, le concept s'est avéré viable, offrant des résultats très prometteurs.
Prenant un boîtier de pile bouton standard, les chercheurs ont d'abord inséré une fine couche d'aérogel poreux de graphène. "Tu prends l'aérogel, qui est un cylindre long et mince, et puis vous le tranchez, presque comme un salami. Tu prends cette tranche, et compressez-le pour qu'il s'insère dans la batterie, " dit Carmen Cavallo du Département de physique de Chalmers, et chercheur principal de l'étude. Puis, une solution riche en soufre, le catholyte, est ajouté à la batterie. L'aérogel très poreux sert de support, absorbant la solution comme une éponge.
"La structure poreuse de l'aérogel de graphène est la clé. Elle absorbe une grande quantité de catholyte, vous donnant une charge en soufre suffisamment élevée pour que le concept de catholyte en vaille la peine. Ce genre de catholyte semi-liquide est vraiment indispensable ici. Il permet au soufre de faire des allers-retours sans aucune perte. Il n'est pas perdu par dissolution, car il est déjà dissous dans la solution de catholyte, " dit Carmen Cavallo.
Une partie de la solution de catholyte est également appliquée au séparateur, pour qu'il remplisse son rôle d'électrolyte. Cela maximise également la teneur en soufre de la batterie.
La plupart des batteries disponibles dans le commerce sont des batteries lithium-ion. Mais ce type de batterie approche de ses limites, et de nouvelles approches chimiques deviennent essentielles pour les applications avec des exigences de puissance plus élevées. Les batteries lithium-soufre offrent plusieurs avantages, y compris une densité d'énergie beaucoup plus élevée. Les meilleures batteries lithium-ion actuellement sur le marché fonctionnent à environ 300 wattheures par kg, avec un maximum théorique d'environ 350. Les batteries lithium-soufre quant à elles, ont une densité énergétique théorique d'environ 1000-1500 wattheures par kg.
"En outre, le soufre est bon marché, très abondante, et beaucoup plus respectueux de l'environnement. Les batteries lithium-soufre ont également l'avantage de ne pas avoir besoin de contenir de fluor nocif pour l'environnement, comme on le trouve couramment dans les batteries lithium-ion, " dit Aleksandar Matic, Professeur au Département de physique Chalmers, qui dirige le groupe de recherche derrière le document.
"L'aérogel est un tube long et fin. Vous le coupez, presque comme un salami. Tu prends cette tranche, et compressez-le, pour s'insérer dans la batterie, " dit Carmen Cavallo du Département de physique de Chalmers, et chercheur principal de l'étude. Crédit :Johan Bodell/Université de technologie de Chalmers
Le problème avec les batteries au lithium-soufre jusqu'à présent a été leur instabilité, et par conséquent une faible durée de vie. Les versions actuelles dégénèrent rapidement et ont une durée de vie limitée avec un nombre de cycles peu pratique. Mais en testant leur nouveau prototype, les chercheurs de Chalmers ont démontré une rétention de capacité de 85 pour cent après 350 cycles.
La nouvelle conception évite les deux principaux problèmes de dégradation des batteries au lithium-soufre-un, que le soufre se dissout dans l'électrolyte et se perd, et deux, un « effet navette, ' par lequel les molécules de soufre migrent de la cathode à l'anode. Dans cette conception, ces problèmes indésirables sont considérablement réduits.
L'article, "Un aérogel d'oxyde de graphène réduit autonome comme électrode de support dans un Li sans fluor
Les chercheurs notent, cependant, qu'il y a encore un long chemin à parcourir avant que la technologie puisse atteindre son plein potentiel de marché. "Comme ces batteries sont produites d'une manière alternative à partir de la plupart des batteries normales, de nouveaux procédés de fabrication devront être développés pour les rendre commercialement viables, " dit Aleksandar Matic.
