Un cathode hybride en réseau polymère pourrait mener à des batteries renouvelables bon marché et durables pour les véhicules électriques.
Avec l’augmentation de la demande pour les véhicules électriques et le stockage d’énergie renouvelable, les limites de la technologie actuelle des batteries lithium-ion sont devenues de plus en plus évidentes. Bien que largement utilisées, les batteries lithium-ion font face à des contraintes de densité énergétique, de durabilité et de coût-efficacité.
Les batteries lithium-soufre (Li-S) représentent une alternative prometteuse aux lithium-ion, offrant des densités énergétiques théoriques largement supérieures à celles de leurs homologues lithium-ion. Le soufre, un composant clé des batteries Li-S, est abondant, rentable et respectueux de l’environnement. Cependant, les batteries Li-S souffrent d’une mauvaise stabilité de cycle et des effets néfastes de la dissolution des polysulfures, ce qui réduit considérablement la durée de vie et la fiabilité des batteries.
Une récente avancée dans la conception de cathode pour batteries Li-S de l’Université Méthodiste du Sud a ouvert la voie à la réalisation du potentiel complet de la technologie Li-S. Cet article explore la chimie interne des batteries Li-S et comment les chercheurs ont amélioré cette chimie pour une meilleure utilisation des batteries Li-S.
Les batteries lithium-soufre pourraient être utilisées dans les véhicules électriques ou les systèmes de stockage. Créé à partir d’images utilisées avec l’aimable autorisation de Canva
La Chimie Derrière les Batteries Li-S
Les batteries Li-S détiennent un immense potentiel en raison de leur haute densité énergétique théorique et de leurs avantages en termes de coût par rapport aux lithium-ion. Les batteries Li-S offrent une densité énergétique atteignant 2,567 Wh/kg et 2,199 Wh/L, dépassant de loin les cellules traditionnelles lithium-cobalt-oxyde/graphite (387 Wh/kg, 1,015 Wh/L). De plus, le soufre est considéré comme une ressource durable en raison de son impact environnemental minimal lors de l’extraction et de son potentiel de recyclage à partir de batteries épuisées.
Malgré ces avantages, les batteries Li-S font face à des défis techniques significatifs qui ont entravé leur application pratique, notamment dans les véhicules électriques et le stockage d’énergie renouvelable.
La chimie de la batterie Li-S. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
Central à leur fonctionnement est l’interaction entre un cathode à base de soufre et une anode en lithium-métal, séparées par un électrolyte. Les ions lithium réagissent avec le soufre au niveau du cathode pendant la décharge de la batterie, formant des polysulfures intermédiaires. Malheureusement, ces composés sont solubles dans l’électrolyte, entraînant un phénomène connu sous le nom de dissolution des polysulfures.
Ce processus aboutit à la perte de matériau actif du cathode et à une accumulation sur l’anode (formant des dendrites), réduisant progressivement la capacité et la durée de vie de la batterie. L’instabilité contribue à une mauvaise stabilité de cycle, ce qui signifie que la batterie ne peut pas soutenir des cycles de charge-décharge répétés sans dégradation significative de performance.
De plus, l’instabilité inhérente du soufre en tant que matériau d’électrode exacerbe le problème, car les liaisons chimiques au sein des composés de soufre se dégradent sous des cycles répétitifs.
Cathode en Réseau Polymère Hybride
Les chercheurs ont développé un nouveau cathode hybride en réseau polymère pour les batteries Li-S afin de remédier à la mauvaise stabilité de cycle et à la dissolution des polysulfures.
Plus précisément, l’équipe a conçu un cathode infusé de soufre combinant des réseaux polymères polyphosphazènes avec du carbone. Cette architecture de cathode utilise plusieurs liaisons sulfonées et des sites d’adsorption atomique conçus pour minimiser la formation de polysulfures solubles qui dégradent la performance au fil du temps. De plus, le matériau permet un transport rapide des ions lithium et des électrons au niveau moléculaire, garantissant ainsi une activité électrochimique et une stabilité élevées.
Le cathode amélioré permet à la batterie Li-S d’atteindre une capacité énergétique de plus de 900 mAh/g, surpassant de manière significative les batteries lithium-ion traditionnelles, qui fonctionnent généralement dans la plage de 150 à 250 mAh/g.
Le cathode en réseau polymère hybride. Image utilisée avec l’aimable autorisation de l’Université Méthodiste du Sud
Cette amélioration se traduit par une densité énergétique beaucoup plus élevée d’environ 300 Wh/kg. La rétention de capacité de 84,9 % de la cellule pouch Li-S après 150 cycles en fait une option prometteuse pour des applications dans le stockage d’énergie renouvelable et les véhicules électriques. De plus, la conception structurelle du cathode facilite le rebond et l’adsorption en temps réel des espèces de soufre non liées, supprimant efficacement les effets néfastes de la migration des polysulfures dans l’électrolyte.
Tracer l’Avenir du Stockage d’Énergie
L’intégration du cathode en réseau polymère hybride pourrait être un grand avantage pour l’industrie des batteries Li-S. En s’attaquant à de nombreux défis de longue date, cette recherche pave la voie à des solutions énergétiques plus efficaces et évolutives qui pourraient s’étendre bien au-delà des véhicules électriques et des systèmes d’énergie renouvelable.