L’équipe de recherche souhaite encore améliorer le potentiel des batteries au lithium-sulfure.

Des chercheurs de l’Université Vanderbilt et de l’Université du Maryland ont présenté une nouvelle chimie cellulaire qui pourrait augmenter de manière significative la densité énergétique des batteries lithium-soufre. Grâce à l’intégration du chlore, cette approche permet un transfert d’électrons supplémentaire à une tension plus élevée.

Graphique : Université Vanderbilt

Les batteries lithium-soufre sont depuis longtemps considérées comme une alternative prometteuse aux cellules classiques à ions de lithium, car le soufre est abondant et peut stocker beaucoup plus d’énergie par unité de masse. Cependant, leur mise en œuvre s’est avérée difficile afin de les rendre durables et pratiques à utiliser.

Dans une étude publiée dans la revue spécialisée « Nature Energy », l’équipe des universités américaines Vanderbilt University et University of Maryland décrit maintenant une nouvelle approche dans laquelle le soufre participe à une réaction supplémentaire de stockage d’énergie. Le résultat est une batterie à base de soufre qui fonctionne à une tension moyenne plus élevée et peut stocker davantage de charge.

Le prototype de la batterie lithium-soufre a pu stocker 1 700 watt-heures d’énergie

Dans les systèmes traditionnels, chaque atome de soufre échange deux électrons, tandis que le système innovant intègre également du chlore afin de transférer un troisième électron. Lors des essais en laboratoire, cela a permis d’augmenter la capacité de stockage du soufre d’environ 58 % et d’élever la tension de fonctionnement moyenne de près de 2,05 volts à 2,54 volts. Grâce à la combinaison d’une capacité de stockage de charge améliorée et d’une tension plus élevée, un kilogramme de soufre dans la cellule expérimentale a pu stocker plus de 1 700 watt-heures d’énergie.

Afin d’assurer la réversibilité, les chercheurs ont utilisé des simulations moléculaires pour concevoir un électrolyte. Celui-ci maintient le chlore réactif et empêche en même temps le produit soufre-chlorure formé de se dissoudre et de se déplacer vers l’anode en métal lithium.

78 % de capacité après 100 cycles de charge

Diverses techniques de spectroscopie ont confirmé que le soufre passe à plusieurs reprises par l’état nouveau au cours des processus de charge et de décharge. Une cellule de type Pouch, après 100 cycles de charge, a conservé 78 pour cent de sa capacité initiale.

Cependant, beaucoup de travail reste à faire avant une utilisation commerciale, car le prototype utilise une anode en lithium métallique ainsi que de plus grandes quantités d’électrolyte. En tenant compte de toutes les composantes essentielles de la batterie – et non seulement des électrodes –, les scientifiques estiment que cette approche pourrait permettre une densité énergétique gravimétrique de 477 Wh/kg au niveau de la cellule. Cela correspondrait à une valeur d’environ 37 pour cent supérieure à celle des systèmes conventionnels de lithium-soufre similaires.

« La vision traditionnelle des batteries lithium-soufre laisse une partie de la capacité redox du soufre inexploitée », a déclaré De-en Jiang, professeur en ingénierie des procédés chimiques et en chimie à l’Université Vanderbilt ainsi que co-auteur principal de l’étude. « Nous voulions savoir si nous pouvions étendre les capacités redox du soufre et les utiliser pour stocker plus d’énergie. »