batteries au lithium-soufre
La demande croissante de véhicules électriques (VE) aux États-Unis a mis en lumière le défi important que représente l'approvisionnement durable de la technologie des batteries nécessaire au passage à l'électricité renouvelable et à l'abandon des combustibles fossiles. Dans l'espoir de fabriquer des batteries non seulement plus performantes que celles actuellement utilisées dans les VE, mais aussi à partir de matériaux facilement disponibles, un groupe d'ingénieurs chimistes de l'université Drexel a trouvé le moyen d'introduire du soufre dans les batteries lithium-ion - avec des résultats étonnants.
Les ventes mondiales de véhicules électriques ayant plus que doublé en 2021, les prix des matériaux de batterie tels que le lithium, le nickel, le manganèse et le cobalt ont grimpé en flèche et les chaînes d'approvisionnement de ces matières premières, dont la plupart proviennent d'autres pays, se sont retrouvées engorgées par la pandémie. Cette situation a également attiré l'attention sur les principaux fournisseurs de ces matières premières, à savoir des pays comme le Congo et la Chine, et a soulevé des questions quant à l'impact humain et environnemental de leur extraction de la terre.
Bien avant l'essor des VE et la pénurie de matériaux de batterie, le développement d'une batterie au soufre commercialement viable a été la baleine blanche durable et performante de l'industrie des batteries. La raison en est l'abondance naturelle du soufre et sa structure chimique qui lui permettrait de stocker davantage d'énergie. Une récente percée réalisée par des chercheurs du Collège d'ingénierie de Drexel, publiée dans la revue Communications Chemistry, permet de contourner les obstacles qui ont entravé les batteries Li-S dans le passé, et de mettre enfin cette technologie recherchée à portée commerciale.
Leur découverte est une nouvelle façon de produire et de stabiliser une forme rare de soufre qui fonctionne dans l'électrolyte de carbonate - le liquide de transport d'énergie utilisé dans les batteries Li-ion commerciales. Ce développement rendrait non seulement les batteries au soufre commercialement viables, mais elles auraient une capacité trois fois supérieure à celle des batteries Li-ion et dureraient plus de 4 000 recharges - l'équivalent de 10 ans d'utilisation, ce qui constitue également une amélioration substantielle.
"Comme nous l'avons démontré, il a également le potentiel d'améliorer les performances des batteries des véhicules électriques et des appareils mobiles d'une manière commercialement viable", a déclaré Vibha Kalra, docteur en médecine de Drexel, professeur titulaire de la chaire George B. Francis au département de génie chimique et biologique du collège, qui a dirigé les recherches.
Le défi de l'introduction du soufre dans une batterie au lithium avec un électrolyte carbonaté commercialement acceptable a été une réaction chimique irréversible entre les produits intermédiaires du soufre, appelés polysulfures, et l'électrolyte carbonaté. En raison de cette réaction indésirable, les tentatives précédentes d'utiliser une cathode de soufre dans une batterie avec une solution d'électrolyte de carbonate ont entraîné un arrêt presque immédiat et une défaillance complète de la batterie après un seul cycle.
Les batteries Li-S ont déjà démontré des performances exceptionnelles dans des contextes expérimentaux en utilisant un électrolyte d'éther - plutôt que de carbonate - parce que l'éther ne réagit pas avec les polysulfures. Mais ces batteries ne seraient pas viables commercialement car l'électrolyte d'éther est très volatil et contient des composants dont le point d'ébullition n'est que de 42 degrés Celsius, ce qui signifie que tout réchauffement de la batterie au-dessus de la température ambiante pourrait provoquer une panne ou une fusion.
"Au cours de la dernière décennie, la majorité des champs Li-S ont adopté des électrolytes d'éther pour éviter les réactions indésirables avec le carbonate", a déclaré Kalra. "Puis, au fil des ans, les chercheurs ont cherché à améliorer les performances des batteries au soufre à base d'éther en atténuant ce que l'on appelle la navette/diffusion du polysulfure, mais ils ont complètement négligé le fait que l'électrolyte à base d'éther lui-même posait problème. Dans notre travail, l'objectif premier était de remplacer l'éther par du carbonate, mais ce faisant, nous avons également éliminé les polysulfures, ce qui signifie également qu'il n'y a pas de navette, de sorte que la batterie pouvait fonctionner exceptionnellement bien pendant des milliers de cycles."
Des recherches antérieures de l'équipe de Kalra ont également abordé le problème de cette manière - en produisant une cathode en nanofibres de carbone qui a ralenti l'effet de navette dans les batteries Li-S à base d'éther en freinant le mouvement des polysulfures intermédiaires. Mais pour améliorer la voie commerciale de ces cathodes, le groupe a réalisé qu'il devait les faire fonctionner avec un électrolyte commercialement viable.
"Avoir une cathode qui fonctionne avec l'électrolyte carbonaté qu'ils utilisent déjà est le chemin de moindre résistance pour les fabricants commerciaux", a déclaré Kalra. "Donc, plutôt que de pousser l'industrie à adopter un nouvel électrolyte, notre objectif était de fabriquer une cathode qui pourrait fonctionner dans le système d'électrolyte Li-ion préexistant."
Ainsi, dans l'espoir d'éliminer la formation de polysulfure pour éviter les réactions indésirables, l'équipe a tenté de confiner le soufre dans le substrat de la cathode en nanofibres de carbone à l'aide d'une technique de dépôt en phase vapeur. Bien que ce procédé n'ait pas réussi à intégrer le soufre dans la maille de nanofibres, il a permis de réaliser quelque chose d'extraordinaire, qui s'est révélé lorsque l'équipe a commencé à tester la cathode.
"Lorsque nous avons commencé le test, elle s'est mise à fonctionner à merveille - ce à quoi nous ne nous attendions pas. En fait, nous l'avons testée encore et encore - plus de 100 fois - pour nous assurer que nous voyions vraiment ce que nous pensions voir", a déclaré Kalra. "La cathode de soufre, que nous soupçonnions de provoquer l'arrêt de la réaction, s'est en fait comportée de manière étonnante, et ce encore et encore, sans provoquer d'effet de navette."
Après une étude plus approfondie, l'équipe a découvert que pendant le processus de dépôt du soufre sur la surface de la nanofibre de carbone - le faisant passer de l'état gazeux à l'état solide - il s'est cristallisé d'une manière inattendue, formant une légère variation de l'élément, appelée soufre en phase gamma monoclinique. Cette phase chimique du soufre, qui ne réagit pas avec l'électrolyte carbonaté, n'avait auparavant été créée qu'à haute température en laboratoire et n'avait été observée dans la nature que dans l'environnement extrême des puits de pétrole.
"Au début, il était difficile de croire que c'était ce que nous détections, car dans toutes les recherches précédentes, le soufre monoclinique était instable en dessous de 95 degrés Celsius", a déclaré Rahul Pai, doctorant au département de génie chimique et biologique et co-auteur de la recherche. "Au cours du siècle dernier, seule une poignée d'études ont produit du soufre gamma monoclinique et celui-ci n'était stable que pendant 20 à 30 minutes au maximum. Mais nous l'avions créé dans une cathode qui subissait des milliers de cycles de charge-décharge sans baisse de performance - et un an plus tard, l'examen que nous en avons fait montre que la phase chimique est restée la même."
Après plus d'un an de tests, la cathode de soufre reste stable et, comme le rapporte l'équipe, ses performances ne se sont pas dégradées en 4 000 cycles de charge-décharge, ce qui équivaut à 10 ans d'utilisation régulière. Et, comme prévu, la capacité de la batterie est plus de trois fois supérieure à celle d'une batterie Li-ion.
"Bien que nous cherchions encore à comprendre le mécanisme exact de la création de ce soufre monoclinique stable à température ambiante, cette découverte reste passionnante et pourrait ouvrir un certain nombre de portes pour le développement d'une technologie de batterie plus durable et plus abordable", a déclaré M. Kalra.
Le remplacement de la cathode des batteries Li-ion par une cathode en soufre permettrait de réduire les besoins en cobalt, nickel et manganèse. Les réserves de ces matières premières sont limitées et ne peuvent pas être extraites sans danger pour la santé et l'environnement. Le soufre, en revanche, se trouve partout dans le monde et existe en grandes quantités aux États-Unis car il s'agit d'un déchet de la production pétrolière.
Kalra suggère que le fait de disposer d'une cathode de soufre stable, qui fonctionne dans un électrolyte de carbonate, permettra également aux chercheurs d'aller de l'avant dans l'examen des remplacements de l'anode de lithium - qui pourraient inclure des options plus abondantes sur terre, comme le sodium.
"S'affranchir de la dépendance au lithium et à d'autres matériaux coûteux et difficiles à extraire de la terre est une étape essentielle pour le développement des batteries et l'élargissement de notre capacité à utiliser des sources d'énergie renouvelables", a déclaré M. Kalra. "Le développement d'une batterie Li-S viable ouvre un certain nombre de voies pour remplacer ces matériaux".
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