Une cathode guérissable pourrait libérer le potentiel des piles solides au lithium-soufre
Ces batteries pourraient doubler l'autonomie des véhicules électriques sans augmenter le poids de la batterie
Des chercheurs ont fait un pas de plus vers la réalisation pratique de batteries à l'état solide à partir de lithium et de soufre. Une équipe dirigée par des ingénieurs de l'université de Californie à San Diego a mis au point un nouveau matériau de cathode pour les piles solides au lithium et au soufre, qui est électriquement conducteur et structurellement guérissable - des caractéristiques qui surmontent les limites des cathodes actuelles de ces piles. Ces travaux ont été publiés dans la revue Nature le 6 mars.
Le matériau de la cathode guérit en fondant, passant d'une poudre brune à un liquide d'un rouge pourpre profond.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Les piles solides au lithium-soufre sont un type de piles rechargeables composées d'un électrolyte solide, d'une anode en lithium métal 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 moindres. 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 du bloc-batterie. En outre, l'utilisation de matériaux abondants et faciles à trouver en fait un choix économiquement viable et plus respectueux de l'environnement.
Cependant, le développement des batteries lithium-soufre à l'état solide a toujours été entravé par les caractéristiques inhérentes aux cathodes au soufre. Non seulement le soufre est un mauvais conducteur d'électrons, mais les cathodes de soufre subissent également une expansion et une contraction importantes pendant la charge et la décharge, ce qui entraîne 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, ce qui compromet les performances globales et la longévité de la batterie à semi-conducteurs.
Pour surmonter ces difficultés, une équipe dirigée par des chercheurs du UC San Diego Sustainable Power and Energy Center a mis au point un nouveau matériau de cathode : 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 de la cathode de 11 ordres de grandeur, le rendant 100 milliards de fois plus conducteur que les cristaux composés uniquement de soufre.
"Nous sommes très heureux de la découverte de ce nouveau matériau", a déclaré Ping Liu, coauteur principal de l'étude, professeur de nano-ingénierie et directeur du Sustainable Power and Energy Center de l'université de San Diego. "L'augmentation drastique de la conductivité électrique dans le soufre est une surprise et est très intéressante d'un point de vue scientifique.
En outre, le nouveau matériau cristallin possède un point de fusion bas de 65 degrés Celsius (149 degrés Fahrenheit), ce qui est inférieur à la température d'une tasse de café chaude. Cela signifie que la cathode peut être facilement refondue après la charge de la batterie pour réparer les interfaces endommagées par le cyclage. 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 au cours des charges et décharges répétées.
"Cette cathode sulfure-iodure présente un concept unique pour gérer certains des principaux obstacles à la commercialisation des batteries Li-S", a déclaré Shyue Ping Ong, coauteur principal de l'étude et professeur de nano-ingénierie à l'école d'ingénierie Jacobs de l'université de 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 dans la zone Goldilocks, c'est-à-dire au-dessus de la température ambiante, mais suffisamment bas pour que la cathode puisse être périodiquement régénérée par la fusion.
"Le point de fusion bas de notre nouveau matériau cathodique permet de réparer les interfaces, une solution recherchée depuis longtemps pour ces batteries", a déclaré le coauteur de l'étude, Jianbin Zhou, ancien chercheur postdoctoral en nano-ingénierie du groupe de recherche de M. Liu. "Ce nouveau matériau constitue une solution pour les futures batteries à l'état solide à haute densité énergétique".
Pour valider l'efficacité du nouveau matériau cathodique, les chercheurs ont construit une batterie d'essai et l'ont soumise à des cycles de charge et de décharge répétés. La batterie est restée stable pendant plus de 400 cycles tout en conservant 87 % de sa capacité.
"Cette découverte pourrait permettre de résoudre l'un des principaux problèmes liés à l'introduction des batteries au 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 à l'Institut de recherche Honda USA, Inc. "La capacité d'une batterie à s'auto-guérir simplement en augmentant la température pourrait prolonger de manière significative le cycle de vie total de la batterie, créant ainsi une voie potentielle vers l'application réelle des batteries à l'état solide".
L'équipe s'efforce de faire progresser la technologie des batteries solides au lithium-soufre en améliorant la conception technique des cellules et en augmentant le format des cellules.
"Bien qu'il reste encore beaucoup à faire pour mettre au point une batterie à l'état solide viable, notre travail constitue une étape importante", a déclaré M. Liu. "Ce travail a été rendu possible grâce aux excellentes collaborations entre nos équipes à l'UC San Diego et nos partenaires de recherche dans les laboratoires nationaux, les universités et l'industrie.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Jianbin Zhou, Manas Likhit Holekevi Chandrappa, Sha Tan, Shen Wang, Chaoshan Wu, Howie Nguyen, Canhui Wang, Haodong Liu, Sicen Yu, Quin R. S. Miller, Gayea Hyun, John Holoubek, Junghwa Hong, Yuxuan Xiao, Charles Soulen, Zheng Fan, Eric E. Fullerton, Christopher J. Brooks, Chao Wang, Raphaële J. Clément, Yan Yao, Enyuan Hu, Shyue Ping Ong, Ping Liu; "Healable and conductive sulfur iodide for solid-state Li–S batteries"; Nature, 2024-3-6
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