Libérer le potentiel des piles au lithium-soufre
Des chercheurs mettent au point des additifs d'électrolyte pour améliorer le stockage de l'énergie : "Les techniques de rayonnement synchrotron fournissent des outils puissants pour caractériser les matériaux des batteries"
Les batteries lithium-ion (Li-ion) font partie intégrante de la société, depuis les téléphones et les ordinateurs portables jusqu'aux véhicules électriques. Bien que les batteries Li-ion aient connu un grand succès jusqu'à présent, les scientifiques du monde entier s'efforcent de concevoir des batteries "au-delà du Li-ion" encore plus performantes dans le cadre de la transition vers un monde plus électrifié. Les batteries Li-ion commerciales sont moins denses en énergie que les batteries alternatives et reposent sur des substances relativement coûteuses, telles que les composés de cobalt et de nickel, qui sont également fortement tributaires de chaînes d'approvisionnement vulnérables.
Représentation schématique de l'expérience de rayons X synchrotron utilisée dans le cadre de cette recherche à l'APS pour étudier la cellule de batterie Li-S.
Image by Argonne National Laboratory/Guiliang Xu
L'une des alternatives les plus prometteuses aux batteries Li-ion est la batterie lithium-soufre (Li-S), qui possède une anode en lithium métal et une cathode en soufre. Cette combinaison d'électrodes promet des densités d'énergie deux à trois fois plus élevées et des coûts réduits, tout en utilisant des ressources terrestres abondantes.
"En poursuivant l'optimisation et le développement des électrodes de soufre, nous pensons que les batteries Li-S peuvent atteindre une densité énergétique plus élevée et de meilleures performances globales, ce qui contribuera à leur adoption commerciale", Guiliang Xu, chimiste à l'Argonne.
Mais ces batteries ne sont pas sans poser de problèmes, notamment une durée de vie courte due à la migration indésirable des ions polysulfure et à la distribution inégale et à l'occurrence des réactions chimiques au sein du système.
En développant un additif innovant pour l'électrolyte, les chercheurs du laboratoire national Argonne du ministère américain de l'énergie (DOE) progressent dans la résolution de ces problèmes qui limitent l'adoption à grande échelle des batteries Li-S.
Dans les batteries Li-ion, les ions lithium sont stockés dans les espaces entre les couches du matériau de la cathode et se déplacent entre la cathode et l'anode pendant la charge et la décharge.
Les batteries Li-S, en revanche, reposent sur un processus différent. Dans ces piles, les ions lithium se déplacent entre la cathode et l'anode par une réaction chimique. Le soufre élémentaire de la cathode est converti en composés polysulfurés - composés de chaînes d'atomes de soufre - dont certains peuvent se dissoudre dans l'électrolyte. En raison de cette solubilité, il se produit un effet de "navette", où les polysulfures font des allers-retours entre la cathode et l'anode. Ce va-et-vient entraîne une perte de matière de la cathode soufrée car elle se dépose à l'anode, ce qui limite la durée de vie et les performances globales de la batterie.
De nombreuses stratégies ont été proposées pour atténuer le phénomène de navette du polysulfure et d'autres problèmes. L'une de ces stratégies, qui consiste à utiliser un additif dans l'électrolyte, a longtemps été considérée comme incompatible en raison de sa réactivité chimique avec la cathode de soufre et d'autres éléments de la batterie. Le chimiste d'Argonne Guiliang Xu et son équipe ont créé une nouvelle classe d'additifs et ont découvert que ces additifs peuvent en fait améliorer les performances des batteries. En contrôlant la façon dont l'additif réagit avec les composés sulfurés, les chercheurs sont mieux à même de créer une interface entre la cathode et l'électrolyte, nécessaire pour faciliter le transport des ions lithium.
"L'additif, appelé additif d'acide de Lewis, est un sel qui réagit avec les composés polysulfurés, formant un film sur l'ensemble de l'électrode", explique M. Xu. L'essentiel est d'avoir une réaction mineure pour former le film, sans réaction continue qui consomme le matériau et réduit la densité énergétique.
L'additif forme un film à la fois sur l'anode et la cathode, supprimant l'effet de navette, améliorant la stabilité de la cellule et favorisant une "autoroute" de transport d'ions à travers l'électrode. Cette conception de l'électrolyte minimise également la dissolution du soufre et améliore l'homogénéité de la réaction, ce qui permet d'utiliser des additifs qui étaient auparavant considérés comme incompatibles.
Pour valider le concept, les chercheurs ont comparé leur électrolyte avec l'additif à un électrolyte conventionnel utilisé dans les batteries Li-S. Ils ont observé une réduction significative des polysaccharides dans l'électrolyte. Ils ont observé une réduction significative de la formation de polysulfure. Le nouvel électrolyte a montré une très faible dissolution des polysulfures, ce qui a été confirmé par des techniques de rayons X. En outre, ils ont suivi le comportement de la réaction pendant la charge et la décharge de la batterie. Ces expériences ont fait appel à l'Advanced Photon Source (APS) d'Argonne et à la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory, deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science, qui ont confirmé que la conception de l'électrolyte minimisait la dissolution et la formation de polysulfures.
"Les techniques de rayonnement synchrotron constituent des outils puissants pour caractériser les matériaux des batteries", a déclaré Tianyi Li, scientifique de la ligne de faisceau à l'APS. En utilisant la diffraction des rayons X, la spectroscopie d'absorption des rayons X et la microscopie de fluorescence des rayons X à l'APS, il a été confirmé que la nouvelle conception de l'interface atténue efficacement les problèmes bien connus, y compris la navette des polysulfures. Plus important encore, cette interface améliore le transfert d'ions, ce qui contribue à réduire les hétérogénéités de réaction".
Xu a ajouté : "En poursuivant l'optimisation et le développement des électrodes de soufre, nous pensons que les batteries Li-S peuvent atteindre une densité énergétique plus élevée et une meilleure performance globale, ce qui contribuera à leur adoption commerciale."
Un autre défi majeur pour les batteries Li-S est la stabilité du lithium métal, qui réagit facilement et pose des problèmes de sécurité. Xu et son équipe travaillent au développement de meilleurs électrolytes pour stabiliser le métal lithium et réduire l'inflammabilité de l'électrolyte, afin de garantir la sécurité des batteries Li-S.
À l'APS, la ligne de faisceau 20-BM a été utilisée pour la spectroscopie d'absorption des rayons X afin d'étudier la solubilité du polysulfure. La ligne de faisceau 17-BM a été utilisée pour l'imagerie par diffraction des rayons X afin d'explorer l'homogénéité ou l'hétérogénéité de l'ensemble de la cellule. La ligne de faisceau 2-ID a été utilisée pour la cartographie de fluorescence des rayons X afin de confirmer la solubilité du matériau d'électrode et d'observer la migration du soufre dans les électrolytes conventionnels.
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
Chen Zhao, Heonjae Jeong, Inhui Hwang, Tianyi Li, Yang Wang, Jianming Bai, Luxi Li, Shiyuan Zhou, Chi Cheung Su, Wenqian Xu, Zhenzhen Yang, Manar Almazrouei, Cheng-Jun Sun, Lei Cheng, Gui-Liang Xu, Khalil Amine; "Polysulfide-incompatible additive suppresses spatial reaction heterogeneity of Li-S batteries"; Joule, Volume 8
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