Des chercheurs de l'Université Vanderbilt et d'autres institutions développent une batterie lithium-soufre stockant plus de 1700 Wh par kilogramme de soufre

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université Vanderbilt (Vanderbilt University) et de l'Université du Maryland (University of Maryland) aux États-Unis a développé un nouveau système chimique de batterie lithium-soufre, introduisant l'élément chlore pour permettre aux atomes de soufre d'échanger un électron supplémentaire lors des cycles de charge et de décharge, augmentant ainsi la capacité de stockage de charge du soufre d'environ 58 %, avec une tension de fonctionnement moyenne passant d'environ 2,05 volts à 2,54 volts.

Le soufre est abondant, relativement peu coûteux, et sa capacité de stockage d'énergie par unité de poids est bien supérieure à celle des matériaux couramment utilisés pour les cathodes des batteries lithium-ion, ce qui en fait l'une des alternatives envisageables pour les matériaux de cathode. Cependant, la tension de fonctionnement des systèmes chimiques lithium-soufre traditionnels est relativement faible, et une partie de la capacité redox du soufre reste inexploitée.

De-en Jiang, professeur titulaire de la chaire H. Eugene McBrayer en génie chimique et professeur de chimie à l'Université Vanderbilt, a déclaré que l'approche traditionnelle des batteries lithium-soufre laissait une partie de la capacité redox du soufre inutilisée, et que l'équipe de recherche souhaitait étendre cette capacité redox pour stocker davantage d'énergie. Dans les batteries lithium-soufre traditionnelles, chaque atome de soufre n'échange que deux électrons lors des cycles de charge et de décharge ; avec l'introduction du chlore, ce processus est prolongé et le soufre peut échanger un troisième électron.

La réaction supplémentaire se produit à une tension plus élevée, la capacité de stockage et la tension augmentant simultanément, permettant à une cellule expérimentale de stocker plus de 1700 wattheures d'énergie par kilogramme de soufre.

Pour rendre cette réaction supplémentaire réversible, un autre problème devait être résolu : lors de la charge, le chlore doit interagir avec le soufre, et les composés soufre-chlore ainsi formés ne doivent pas migrer à l'intérieur de la batterie ni réagir avec l'électrode de lithium métallique. L'équipe a utilisé la simulation moléculaire pour étudier le comportement des ions lithium et des ions chlorure dans différents électrolytes, et a conçu sur cette base un électrolyte permettant au chlore de rester engagé dans la réaction avec le soufre. Elle a également sélectionné un électrolyte dans lequel le produit de la réaction soufre-chlore est peu soluble, maintenant cette substance à l'intérieur de la cathode et permettant à la réaction d'être inversée lors de la décharge. Plusieurs techniques spectroscopiques ont ensuite confirmé que le soufre entre et sort de manière répétée de ce nouvel état chimique au cours des cycles de charge et de décharge.

Les chercheurs ont également fabriqué une petite cellule souple monocouche en format poche pour vérifier la performance de ce système chimique au-delà des cellules boutons couramment utilisées dans les premières recherches sur les batteries. Cette cellule en format poche a conservé 78 % de sa capacité après 100 cycles de charge et de décharge.

Cette technologie en est encore à un stade de validation précoce ; le prototype utilise une électrode de lithium métallique, la quantité de soufre est relativement limitée et la quantité d'électrolyte est supérieure au niveau idéal pour une batterie commerciale. En prenant en compte les principaux composants de la batterie plutôt que la seule électrode, les chercheurs estiment que cette approche pourrait atteindre une énergie spécifique au niveau du pack de 477 Wh/kg, soit environ 37 % de plus que le système lithium-soufre traditionnel utilisé comme référence dans l'étude.

Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Nature Energy.