Les piles à poche lithium-soufre étudiées à BESSY II
Processus de dégradation examinés
Une équipe du HZB et de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux (IWS) de Dresde a acquis de nouvelles connaissances sur les piles à poche au lithium-soufre à la ligne BAM de BESSY II. Les analyses effectuées dans le laboratoire d'imagerie HZB et d'autres mesures ont permis de dresser un nouveau tableau des processus qui limitent les performances et la durée de vie de ce type de batterie d'intérêt industriel. L'étude a été publiée dans la revue Advanced Energy Materials.
Les piles au lithium-soufre présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux piles au lithium classiques : elles utilisent une matière première abondante, le soufre, ne nécessitent pas les éléments critiques que sont le cobalt et le nickel, et peuvent atteindre des densités d'énergie spécifiques extrêmement élevées. Des prototypes de cellules atteignent déjà 500 Wh/kg, soit près de deux fois plus que les batteries lithium-ion actuelles.
Examen des processus de dégradation
Cependant, les batteries lithium-soufre ont jusqu'à présent été beaucoup plus sensibles aux processus de dégradation : pendant la charge et la décharge, des polysulfures dissous et des phases de soufre se forment sur l'électrode de lithium, réduisant progressivement les performances et la durée de vie de la batterie. Notre recherche vise à élucider ces processus afin d'améliorer ce type de batterie", explique le Dr Sebastian Risse, physicien au HZB, qui dirige une équipe travaillant sur l'analyse operando des batteries.
Le laboratoire de cellules à poche du HZB
Il se concentre sur les piles à poche, un format de batterie largement utilisé dans l'industrie. L'Institut pour le stockage électrochimique de l'énergie (CE-IEES) de HZB, dirigé par le professeur Yan Lu, a donc mis en place un laboratoire spécialisé dans la production de piles au lithium-soufre dans le format de poche requis. Dans ce laboratoire, les scientifiques peuvent produire et étudier une grande variété de cellules à poche de lithium-soufre. Dans le cadre du projet "SkaLiS" financé par le BMBF et coordonné par Sebastian Risse, une équipe de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux (IWS) de Dresde vient de publier une étude approfondie sur les piles à poche lithium-soufre dans la prestigieuse revue Advanced Energy Materials.
Installation multimodale
Les cellules de batterie ont été étudiées dans un dispositif mis au point à l'HZB à l'aide de diverses méthodes telles que la spectroscopie d'impédance, la distribution de la température, la mesure de la force et l'imagerie par rayons X (synchrotron et source de laboratoire) pendant la charge et la décharge. Pour la première fois, nous avons pu observer et documenter à la fois la formation de dendrites de lithium et la dissolution et la formation de cristallites de soufre pendant le fonctionnement d'une batterie multicouche", explique le Dr Rafael Müller, chimiste au HZB et premier auteur de l'étude.
Radiographie à contraste de phase à BESSY II
En particulier, la radiographie à contraste de phase avec du rayonnement synchrotron cohérent à la ligne de faisceau BAM de BESSY II nous a permis de suivre la morphologie du seul métal lithium faiblement absorbant et de la corréler avec d'autres données de mesure, ce qui nous a permis d'obtenir une image complète. Les analyses aux rayons X dans le laboratoire d'imagerie du HZB, réalisées en collaboration avec le groupe d'imagerie du Dr Ingo Manke, ont également permis d'analyser la formation de cristaux de soufre fortement absorbants pendant le fonctionnement de la batterie.
Perspectives : Systèmes de batteries à haute énergie
Nos résultats comblent le fossé entre la recherche fondamentale et le transfert de technologie, et permettent notamment de tirer des conclusions sur l'évolutivité de cette technologie de batterie et sur le développement ultérieur de systèmes de batteries à haute énergie", explique M. Risse. L'équipe a notamment montré qu'une nouvelle approche de conception de l'IWS de Dresde est prometteuse : un collecteur de courant cathodique perforé et donc nettement plus léger ne nuit pas aux performances de la cellule.
Les résultats de cette étude permettront d'optimiser les performances et la durée de vie des batteries lithium-soufre, afin que ce type de batterie prometteur puisse répondre aux exigences des systèmes de stockage d'énergie mobiles et stationnaires.
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Publication originale
Rafael Müller, Tom Boenke, Susanne Dörfler, Thomas Abendroth, Paul Härtel, Holger Althues, Stefan Kaskel, Nikolay Kardjilov, Henning Markötter, Michael Sintschuk, André Hilger, Ingo Manke, Sebastian Risse; "Multimodal Operando Analysis of Lithium Sulfur Multilayer Pouch Cells: An In‐Depth Investigation on Cell Component Design and Performance"; Advanced Energy Materials, 2025-1-7
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