Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont développé un nouveau matériau cathodique pour les batteries lithium-soufre à l’état solide, qui améliore considérablement leur conductivité électrique et leurs propriétés d’auto-guérison. Ce matériau répond aux principaux défis associés aux cathodes au soufre, tels qu’une mauvaise conductivité électronique et des dommages structurels lors de l’utilisation. Cette innovation promet de doubler la densité énergétique des batteries des véhicules électriques sans augmenter le poids et de prolonger la durée de vie de la batterie, faisant ainsi des batteries lithium-soufre à l’état solide une option plus viable et plus respectueuse de l’environnement. Crédit : David Baillot/École d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego
Les chercheurs ont fait un pas de plus vers la réalisation de batteries à semi-conducteurs à base de lithium et de soufre. Une équipe dirigée par des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego a développé un nouveau matériau de cathode pour les batteries lithium-soufre à semi-conducteurs qui est électriquement conducteur et structurellement cicatrisable, des caractéristiques qui surmontent les limites des cathodes actuelles de ces batteries.
Le travail a été récemment publié dans la revue Nature.
Les batteries lithium-soufre à l’état solide sont un type de batterie rechargeable composée d’un électrolyte solide, d’une anode en lithium métallique et d’une cathode en soufre. Ces batteries sont prometteuses en tant qu’alternative supérieure aux batteries lithium-ion actuelles, car elles offrent une densité énergétique accrue et des coûts inférieurs. Elles ont le potentiel de stocker jusqu’à deux fois plus d’énergie par kilogramme que les batteries lithium-ion conventionnelles. En d’autres termes, elles pourraient doubler l’autonomie des véhicules électriques sans augmenter le poids de la batterie. De plus, l’utilisation de matériaux abondants et faciles à trouver en fait un choix économiquement viable et plus respectueux de l’environnement.
Défis et avancées
Cependant, le développement des batteries lithium-soufre à l’état solide a toujours été entravé par les caractéristiques inhérentes des cathodes au soufre. Non seulement le soufre est un mauvais conducteur électronique, mais les cathodes de soufre subissent également une expansion et une contraction significatives pendant la charge et la décharge, entraînant des dommages structurels et une diminution du contact avec l’électrolyte solide. Ces problèmes diminuent collectivement la capacité de la cathode à transférer la charge, compromettant ainsi les performances globales et la longévité de la batterie à semi-conducteurs.
Pour surmonter ces défis, une équipe dirigée par des chercheurs du Sustainable Power and Energy Center de l’UC San Diego a développé un nouveau matériau cathodique : un cristal composé de soufre et d’iode. En insérant des molécules d’iode dans la structure cristalline du soufre, les chercheurs ont considérablement augmenté la conductivité électrique du matériau cathodique de 11 ordres de grandeur, le rendant 100 milliards de fois plus conducteur que les cristaux constitués uniquement de soufre.
Le matériau de la cathode guérit en fondant d’une poudre brune à un liquide rouge pourpre foncé. Crédit : David Baillot/École d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego
« Nous sommes très enthousiasmés par la découverte de ce nouveau matériau », a déclaré Ping Liu, co-auteur principal de l’étude, professeur de nano-ingénierie et directeur du Sustainable Power and Energy Center de l’UC San Diego. « L’augmentation drastique de la conductivité électrique du soufre est une surprise et scientifiquement très intéressante. »
De plus, le nouveau matériau cristallin possède un faible point de fusion de 65 degrés. Celsius (149 degrés Fahrenheit), qui est inférieure à la température d’une tasse de café chaude. Cela signifie que la cathode peut être facilement refondue une fois la batterie chargée pour réparer les interfaces endommagées par le cycle. Il s’agit d’une caractéristique importante pour remédier aux dommages cumulatifs qui se produisent à l’interface solide-solide entre la cathode et l’électrolyte lors de charges et décharges répétées.
« Cette cathode à l’iodure de soufre présente un concept unique pour gérer certains des principaux obstacles à la commercialisation des batteries Li-S », a déclaré Shyue Ping Ong, co-auteur principal de l’étude, professeur de nano-ingénierie à la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego. « L’iode perturbe les liaisons intermoléculaires qui maintiennent les molécules de soufre ensemble juste ce qu’il faut pour abaisser son point de fusion jusqu’à la zone Boucle d’or, au-dessus de la température ambiante mais suffisamment bas pour que la cathode soit périodiquement guérie par fusion. »
« Le faible point de fusion de notre nouveau matériau cathodique rend possible la réparation des interfaces, une solution recherchée depuis longtemps pour ces batteries », a déclaré Jianbin Zhou, co-premier auteur de l’étude, ancien chercheur postdoctoral en nano-ingénierie du groupe de recherche de Liu. « Ce nouveau matériau constitue une solution habilitante pour les futures batteries à semi-conducteurs à haute densité énergétique. »
L’avenir des batteries à semi-conducteurs
Pour valider l’efficacité du nouveau matériau cathodique, les chercheurs ont construit une batterie de test et l’ont soumise à des cycles répétés de charge et de décharge. La batterie est restée stable pendant plus de 400 cycles tout en conservant 87 % de sa capacité.
« Cette découverte a le potentiel de résoudre l’un des plus grands défis liés à l’introduction des batteries lithium-soufre à l’état solide en augmentant considérablement la durée de vie utile d’une batterie », a déclaré Christopher Brooks, co-auteur de l’étude et scientifique en chef au Honda Research Institute USA. , Inc. « La capacité d’une batterie à s’auto-réparer simplement en augmentant la température pourrait prolonger considérablement le cycle de vie total de la batterie, créant ainsi une voie potentielle vers une application réelle des batteries à semi-conducteurs. »
L’équipe travaille à faire progresser la technologie des batteries lithium-soufre à l’état solide en améliorant la conception technique des cellules et en augmentant le format des cellules.
« Bien qu’il reste beaucoup à faire pour fournir une batterie à semi-conducteurs viable, notre travail constitue une étape importante », a déclaré Liu. « Ce travail a été rendu possible grâce à d’excellentes collaborations entre nos équipes de l’UC San Diego et nos partenaires de recherche dans les laboratoires nationaux, le monde universitaire et l’industrie. »
Ce travail a été soutenu en partie par l’Advanced Research Projects Agency-Energy du Département américain de l’énergie (DOE) (DE-AR0000781) et le Bureau scientifique du DOE des États-Unis (DEAC02-05-CH11231).
