Portée par la demande des véhicules électriques et de l'aviation électrique, S&P Global Insights prévoit que la demande mondiale en batteries lithium-ion doublera d'ici 2030 par rapport aux niveaux de 2023. Les nouvelles batteries doivent allier hautes performances et rentabilité pour permettre une adoption à grande échelle. Le soufre, en tant que matériau de batterie, présente des avantages tels qu'un faible coût, une abondance de réserves et une capacité spécifique théorique élevée. Cependant, son application pratique a longtemps été limitée par ses propriétés intrinsèques.
Une étude impliquant Chen-Jui Huang, chercheur postdoctoral au laboratoire de stockage et de conversion d'énergie du département de nano-ingénierie de l'Université de Californie à San Diego et à l'École de génie moléculaire Pritzker de l'Université de Chicago, a récemment publié un article dans Nature Communications, explorant une voie de développement pour les batteries tout solide basée sur la chimie de conversion lithium-soufre.
« D'un point de vue économique, le soufre est le matériau idéal le moins cher pour les batteries », a déclaré Huang. « La principale limitation de la cathode au soufre est son caractère isolant, avec une faible conductivité électronique et un transport ionique limité. Il est donc difficile d'établir un réseau de percolation électronique/ionique continu. Une part importante du soufre ne peut pas entrer en contact électrochimique, ce qui rend difficile d'atteindre la capacité théorique. »
L'équipe de recherche a développé une cathode composite à base de soufre en optimisant la taille des particules de poudre d'électrolyte solide et en ajustant la stratégie de fabrication. Sa capacité de décharge spécifique atteint environ 1500 milliampères-heures par gramme de soufre, proche de la capacité théorique du soufre de 1675 mAh/g. L'équipe a également validé cette performance dans des batteries en format poche, démontrant le potentiel de cette technologie pour une application à grande échelle.
Cette recherche est le fruit d'une collaboration université-industrie entre l'Université de Chicago, l'Université de Californie à San Diego et le fabricant de batteries sud-coréen LG Energy Solution, via son projet de laboratoire de recherche avancée.
« Cette étude montre qu'il est possible d'améliorer significativement l'efficacité de réaction du soufre simplement en organisant les matériaux existants de manière plus judicieuse, sans ajouter de nouveaux matériaux ou revêtements », a déclaré Seung Bo Yang, chercheur principal chez LG Energy Solution. « En optimisant la taille des particules et la manière de mélanger les matériaux, les batteries tout solide peuvent atteindre une capacité élevée et une production d'énergie pratique. »
L'équipe de recherche a développé un procédé de broyage à billes en une étape qui broie ensemble trois matériaux — le soufre, l'électrolyte solide et le carbone conducteur — en une poudre formant un mélange homogène. Ce procédé génère des phases interfaciales métastables, permettant une réaction partielle entre l'électrolyte sulfuré et le matériau de cathode au soufre, améliorant ainsi les performances.
« Une densité énergétique plus élevée signifie que l'autonomie des futurs véhicules électriques pourrait augmenter de manière significative », a ajouté Yang.
L'article explore également des stratégies pour faire face aux changements de volume des matériaux d'électrode pendant la charge et la décharge. Les électrodes à base de soufre et les électrodes nickel-manganèse-cobalt (NMC) se dilatent et se contractent dans des directions opposées : le soufre se dilate lorsque le NMC se contracte, et vice versa. L'équipe a exploité cette caractéristique en associant une anode en silicium avec une cathode au sulfure de lithium, permettant aux changements de volume des électrodes de se compenser mutuellement pendant les cycles, réduisant ainsi l'accumulation globale de contraintes.
« La collaboration université-industrie est essentielle pour suivre le rythme du marché des batteries en évolution rapide », a déclaré Yang. « Avec la croissance de la demande des véhicules électriques et du stockage d'énergie, combiner l'expertise en fabrication industrielle avec la recherche innovante des universités contribue à accélérer le développement de la prochaine génération de technologies de batteries. »
Détails de la publication : Auteurs : Ashley Cronk et al., Titre : « Une cathode lithium-soufre à haute utilisation et pratique pour les batteries tout solide », Publié dans : Nature Communications (2026). Informations sur la revue : Nature Communications
