Les batteries au lithium-soufre ont été saluées comme la prochaine grande étape dans la technologie des batteries, promettant une utilisation beaucoup plus longue pour tout, des téléphones portables aux véhicules électriques sur une seule charge, tout en étant plus respectueuses de l’environnement à produire que les batteries lithium-ion actuelles. Cependant, ces batteries ne durent pas aussi longtemps que leurs homologues lithium-ion, se dégradant avec le temps.



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 lithium-soufre, rapprochant la technologie de la viabilité commerciale. Les résultats de l’équipe, publiés aujourd’hui à Joule, montrent que la création d’une couche artificielle contenant du tellure, à l’intérieur de la batterie in situ, au-dessus du lithium métal, peut la faire durer quatre fois plus longtemps.

« Le soufre est abondant et sans danger pour l’environnement, sans 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 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 lithium-soufre – le processus de chargement et de déchargement – peut provoquer la formation de dépôts moussus en forme d’aiguille sur l’anode lithium-métal, l’électrode négative de la batterie. Cela déclenche une réaction qui peut entraîner la dégradation globale de la batterie.

Les dépôts décomposent l’électrolyte qui fait la navette entre les ions lithium. Cela peut piéger une partie du lithium, empêchant l’électrode de fournir la pleine puissance nécessaire à l’utilisation ultra-longue promise par la technologie. La réaction peut également provoquer un court-circuit de la batterie et potentiellement prendre feu.

La couche artificielle formée sur l’électrode au lithium protège l’électrolyte de la dégradation et réduit les structures moussues qui emprisonnent le lithium de se former pendant les charges.

« La couche formée sur la surface du lithium lui permet de fonctionner sans décomposer l’électrolyte, ce qui allonge la durée de vie de la batterie », a déclaré Amruth Bhargav, qui, avec son collègue Sanjay Nanda, est co-auteur du document.

Manthiram a ajouté que cette méthode peut être appliquée à d’autres batteries au lithium et au sodium. Les chercheurs ont déposé une demande de brevet provisoire pour la technologie.

« La couche de stabilisation est formée par un processus in situ simple et ne nécessite aucune procédure de prétraitement ou de revêtement coûteuse ou compliquée sur l’anode lithium-métal », a déclaré Nanda.

Résoudre l’instabilité de cette partie de la batterie est essentiel pour prolonger sa durée de vie et favoriser une adoption plus large. Manthiram a déclaré que les batteries au lithium-soufre sont actuellement les mieux adaptées aux appareils qui ont besoin de batteries légères et peuvent fonctionner pendant une longue période avec une seule charge et ne nécessitent pas un grand nombre de cycles de charge, tels que les drones. Mais ils ont le potentiel pour jouer un rôle important dans l’extension de la gamme de véhicules électriques et l’augmentation de l’adoption des énergies renouvelables.

Les électrodes positives et négatives des batteries au lithium-soufre détiennent 10 fois plus de capacité de charge que les matériaux utilisés dans les batteries au lithium-ion d’aujourd’hui, a déclaré Manthiram, ce qui signifie qu’elles peuvent fournir beaucoup plus d’utilisation avec une seule charge. Le soufre est largement disponible comme sous-produit de l’industrie pétrolière et gazière, ce qui rend les batteries peu coûteuses à produire. Le soufre est également plus respectueux de l’environnement que les matériaux d’oxyde métallique utilisés dans les batteries lithium-ion.