Des années déjà que l’on présentait les batteries lithium-soufre comme une révolution. Pourtant, un défaut majeur empêchait jusqu’alors l’explosion du marché. Mais la découverte de chercheurs australiens pourrait aujourd’hui changer la donne. Ils ont déposé un brevet pour un système susceptible de faire fonctionner un smartphone pendant pas moins de cinq jours !
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Cinq jours sans avoir besoin de recharger la batterie de son smartphone. Ou plus de mille kilomètres sans recharger celle de sa voiture électriquevoiture électrique. Un rêve qui pourrait devenir réalité très bientôt à en croire l'annonce de chercheurs de l'université Monach (Australie). Ils seraient prêts à commercialiser, dans les tout prochains mois, une batterie lithium-soufre haute capacité qui offre de bien meilleures performances que les batteries lithium-ionbatteries lithium-ion actuelles.
L'idée d'une batterie lithium-soufre n'est pas nouvelle. Mais elle présentait un inconvénient majeur : sa courte durée de vie. En effet, la capacité de l'électrode au soufre était tellement importante que celle-ci se brisait -- à la suite de dilatationsdilatations et de contractions trop importantes, huit fois plus intenses que les classiques batteries lithium-ion -- au cours des cycles de charge et de décharge.
Des ponts polymères pour plus de stabilité
Les chercheurs de l'université Monach (Australie) semblent avoir trouvé une parade. Ils ont redessiné les liaisons entre les particules qui constituent la cathode de soufre. Avec pour objectif de les aider à mieux gérer des charges élevées sans perdre en capacité, en performances ou en stabilité. Et pour cela, ils se sont appuyés sur... une technique employée dans la fabrication de détergents en poudre. Une technique qui compte sur des ponts polymères pour améliorer la résistancerésistance à la fissuration des électrodes.
Résultat : une batterie quatre à cinq fois plus efficace que ses concurrentes sur le marché tout en étant simple à fabriquer et peu coûteuse. Des tests en laboratoire ont déjà été concluants. Et d'autres sont prévus grandeur nature -- sur des voitures électriques et des réseaux photovoltaïques -- dès cette année.
Des batteries lithium-soufre, une solution pour la voiture électrique ?
L'un des principaux freins au développement du marché des voitures électriques est leur manque d'autonomieautonomie. Des chimistes canadiens viennent de faire une découverte qui pourrait mener à la conception de batteries moins chères et plus légères, mais surtout plus puissantes et plus efficaces.
Article de Nathalie MayerNathalie Mayer paru le 19/01/2015
Dans un article paru dans les colonnes de Nature Communications en ce début d'année, une équipe de la faculté des sciences de l'université de Waterloo (Canada) présente une percée majeure dans le domaine de la technologie des batteries lithium-soufre. Les chimistes canadiens sont parvenus, grâce à des nanofeuilles de dioxyde de manganèse (MnO2), à maintenir la « rechargeabilité » de la cathodecathode de soufre.
Depuis quelque temps déjà, les chercheurs s'intéressaient à la technologie lithium-soufre. Parce que le soufre est extrêmement abondant, relativement léger et très bon marché. Parce que les batteries lithium-soufre présenteraient une meilleure tenue aux basses températures et seraient moins toxiques que les batteries lithium-ion. Mais aussi, et peut-être surtout, parce que cette technologie a potentiellement la capacité de multiplier par trois (ou même par cinq, selon les estimations) l'autonomie des voitures électriques. Comment ? Grâce à une densité énergétique maximale pouvant aller jusqu'à 2.600 Wh/kgkg, contre seulement 160 Wh/kg pour une batterie lithium-ion. En 2009, l'équipe de l'université de Waterloo avait été la première à démontrer la faisabilité de telles batteries grâce à l'apport de nanomatériaux.
Comment stabiliser la cathode de soufre ?
Mais jusqu'à aujourd'hui, le développement de batteries lithium-soufre se heurtait à un problème de taille. Ces systèmes ne pouvaient en effet guère supporter plus de 200 cycles de charge. Car la cathode de soufre avait tendance, sous l'action des électronsélectrons, à se dissoudre dans l'électrolyte, formant des polysulfures. Et c'est sur cette question que les chimistes de Waterloo ont travaillé récemment. Ils ont d'abord pensé stabiliser la cathode physiquement, à l'aide de nanofibres de carbonecarbone ou de graphène poreux. Finalement, ils se sont intéressés aux oxydes métalliques. L'oxyde de titanetitane d'abord, puis le dioxyde de manganèse, qui s'est avéré encore plus efficace.
« Très peu de chercheurs étudient aujourd'hui la chimiechimie du soufre », regrette la professeure Linda Nazar de la faculté des sciences de l'université de Waterloo. Alors, pour expliquer le phénomène, son équipe s'est appuyée sur un procédé chimique connu depuis 1845 sous le nom de réaction de Wackenroder. « Il est ironique que nous ayons dû chercher aussi loin dans la littérature pour comprendre quelque chose qui peut radicalement changer notre avenir. » La surface oxygénée de la nanofeuille de MnO2 qui entoure la cathode de soufre permet en fait de recyclerrecycler chimiquement les sulfuressulfures. Le processus se déroule en deux étapes et implique un intermédiaire, un polythiosulfate, lié à la surface. Résultat : une cathode haute performance capable de recharger sur plus de 2.000 cycles !
Les chimistes de Waterloo ont depuis déjà découvert que l'oxyde de graphène semble protéger les cathodes en faisant intervenir un mécanisme similaire. Ils poursuivent donc leurs travaux à la recherche du matériaumatériau plus performant encore que le dioxyde de manganèse.
