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Les batteries au lithium-soufre ont été saluées comme la prochaine grande étape dans la technologie des batteries, promettant une utilisation beaucoup plus longue, tout en étant plus durables sur le plan environnemental à produire que les batteries lithium-ion actuelles. Cependant, ces batteries ne durent pas aussi longtemps que leurs homologues au lithium-ion, qui se dégradent avec le temps.

Les batteries lithium-soufre

Un groupe de chercheurs de la Cockrell School of Engineering de l’Université du Texas à Austin a trouvé un moyen de stabiliser l’une des parties les plus difficiles des batteries au lithium-soufre, ce qui rapproche cette technologie de sa viabilité commerciale. Les conclusions de l’équipe montrent que la création d’une couche artificielle contenant du tellure, à l’intérieur de la batterie in situ, par-dessus le lithium métal, peut la faire durer quatre fois plus longtemps.
« Le soufre est abondant et inoffensif pour l’environnement, et il n’y a pas de problème de chaîne d’approvisionnement aux États-Unis », a déclaré Arumugam Manthiram, professeur de génie mécanique et directeur du Texas Materials Institute. « Mais il y a des défis à relever en matière d’ingénierie. Nous avons réduit un problème pour prolonger la durée de vie de ces batteries ».
Le lithium est un élément réactif qui a tendance à décomposer les autres éléments qui l’entourent. Chaque cycle d’une batterie au lithium-soufre – le processus de charge et de décharge – peut entraîner la formation de dépôts moussus et en forme d’aiguilles sur l’anode lithium-métal, l’électrode négative de cette batterie. Cela déclenche une réaction qui peut mener à la dégradation générale de la batterie.
Ces dépôts décomposent l’électrolyte qui fait circuler les ions de lithium dans les deux sens. Cela peut piéger une partie du lithium, empêchant l’électrode de fournir la pleine puissance nécessaire à l’utilisation ultra-longue que promet cette technologie. Cette réaction peut également provoquer un court-circuit de la batterie et potentiellement prendre feu.

Une couche artificielle protège l’électrolyte

La couche artificielle formée sur l’électrode de lithium protège l’électrolyte de la dégradation et réduit les structures moussues qui piègent le lithium pendant les recharges. « La couche formée à la surface du lithium lui permet de fonctionner sans dégrader l’électrolyte, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie », a déclaré Amruth Bhargav, un étudiant dans le laboratoire de Manthiram.
M. Manthiram a ajouté que cette méthode peut être appliquée à d’autres batteries à base de lithium et de sodium. Les chercheurs ont déposé une demande de brevet provisoire pour cette technologie. « La couche stabilisatrice est formée par un simple procédé in situ et ne nécessite pas de prétraitement coûteux ou compliqué ni de procédures de revêtement sur l’anode en lithium-métal », a déclaré M. Nanda.
La solution à l’instabilité de cette partie de la batterie est essentielle pour prolonger sa durée de vie et permettre une plus large adoption. Selon M. Manthiram, les batteries au lithium-soufre sont actuellement les mieux adaptées aux appareils qui ont besoin de batteries légères et qui peuvent fonctionner longtemps avec une seule charge et ne nécessitent pas un grand nombre de cycles de recharge, comme les drones. Mais elles ont le potentiel de jouer un rôle important dans l’utilisation à grande échelle des véhicules électriques et dans l’adoption accrue des énergies renouvelables.

Des batteries peu coûteuses à produire

Les électrodes positives et négatives des batteries au lithium-soufre ont une capacité de charge dix fois supérieure à celle des matériaux utilisés dans les batteries lithium-ion actuelles, a déclaré M. Manthiram, ce qui signifie qu’une seule charge permet une utilisation beaucoup plus importante. Le soufre est largement disponible comme sous-produit de l’industrie pétrolière et gazière, ce qui rend la production de ces batteries peu coûteuse. Le soufre est également plus respectueux de l’environnement que les matériaux d’oxyde métallique utilisés dans les batteries lithium-ion.
Cette recherche a été publiée dans Joule.
Source : University of Texas at Austin
Crédit photo : Pixabay

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