Plus de 1 000 km d’autonomie réelle : cette batterie au lithium et au soufre utilise du chlore pour atteindre 477 Wh/kg

Déjà depuis plus de 15 ans, on parle d’une chimie de batteries au grand potentiel : les cellules au lithium et au soufre, qui sont depuis longtemps considérées comme l’une des alternatives les plus prometteuses pour surmonter les limites des batteries actuelles. Le soufre est abondant, relativement bon marché et possède une capacité de stockage très élevée par unité de masse, mais son application pratique a rencontré divers problèmes, notamment en raison de sa faible tension de fonctionnement, de la dégradation et du mouvement des composés de soufre à l’intérieur de la batterie.

Actuellement, une équipe de chercheurs de l’Université Vanderbilt et de l’Université du Maryland, en collaboration avec des scientifiques d’autres institutions américaines, a découvert une manière différente d’exploiter les propriétés du soufre. Cette étude, publiée dans Nature Energy, modifie la réaction chimique habituelle afin que le soufre puisse participer à un processus supplémentaire pendant la charge et la décharge.

La clé réside dans quelque chose d’aussi simple à expliquer qu’difficile à mettre en pratique : faire en sorte que chaque atome de soufre puisse échanger un troisième électron. Dans une batterie conventionnelle au lithium et au soufre, le soufre participe à une réaction impliquant deux électrons. Les chercheurs ont introduit du chlore pour étendre cette réaction et amener le soufre à un état chimique supplémentaire.

Le résultat est particulièrement remarquable car il augmente non seulement la quantité de charge que le soufre peut stocker. La nouvelle réaction fonctionne également à une tension plus élevée, ce qui permet d’améliorer simultanément les deux facteurs déterminant l’énergie que peut stocker une batterie : la quantité de charge et la tension à laquelle elle fournit de l’énergie.

Le troisième électron change les possibilités du soufre

Lors des essais menés par l’équipe, la nouvelle chimie a permis d’augmenter de 58 % la capacité spécifique du soufre, tandis que la tension moyenne de fonctionnement est passée d’environ 2,05 à 2,54 volts. Cette combinaison a permis d’atteindre plus de 1 700 Wh/kg au niveau de l’électrode, un chiffre extrêmement élevé pour une batterie expérimentale.

La différence par rapport à une batterie conventionnelle au lithium et au soufre réside dans la réaction supplémentaire qui se produit grâce au chlore. Les chercheurs ont réussi à convertir de manière réversible le sulfure de lithium en dichlorure de disulfure grâce à un processus impliquant trois électrons par atome de soufre, au lieu des deux habituels.

Cela est important car le soufre occupe déjà une position intéressante par rapport à d’autres matériaux utilisés dans les électrodes. Son abondance et sa haute capacité spécifique ont fait qu’il est étudié depuis des années comme alternative aux matériaux actuellement utilisés dans les batteries lithium, mais jusqu’à présent il a été difficile d’exploiter tout son potentiel sans introduire de nouveaux problèmes.

L’équipe a dû résoudre précisément l’un de ces problèmes avant de pouvoir utiliser le troisième électron de manière réversible. Le chlore devait réagir avec le soufre pendant la charge, mais sans que le composé résultant ne puisse se déplacer dans la batterie et finir par réagir avec l’électrode en lithium métallique.

Afin d’y parvenir, les chercheurs ont recours à des simulations moléculaires qui leur ont permis d’étudier le comportement des ions de lithium et de chlorure dans différents électrolytes. À partir de ces résultats, ils ont développé un électrolyte liquide ionique riche en chlorure capable de conserver ce dernier disponible pour réagir avec le soufre.

Ils ont également choisi une composition dans laquelle le produit formé par la réaction entre le soufre et le chlore ne se dissout pas facilement. Ainsi, il reste à l’intérieur de l’électrode positive et peut réagir à nouveau pendant la décharge, ce qui rend le processus réversible.

Les tests effectués à l’aide de différentes techniques d’espectroscopie ont permis de confirmer que le soufre traverse effectivement de manière répétée cet état chimique nouveau pendant les processus de charge et de décharge. Il ne s’agit donc pas seulement d’une estimation théorique sur ce que le soufre pourrait faire, mais bien d’une réaction que les chercheurs ont réussi à observer et à reproduire en laboratoire.

Cependant, il existe une différence importante entre la valeur spectaculaire de 1 700 Wh/kg et ce qu’une batterie complète pourrait atteindre. Cette valeur correspond au niveau de l’électrode et ne représente pas la densité énergétique d’un pack prêt à être installé dans une voiture électrique. Lorsque les chercheurs prennent en compte les autres composants nécessaires pour construire une batterie fonctionnelle, l’estimation diminue considérablement.

Plus précisément, l’équipe estime que cette technologie pourrait atteindre 477 Wh/kg pour l’ensemble de la batterie, soit environ 37 % de plus que le système conventionnel au lithium et au soufre utilisé comme référence dans l’étude. Ce chiffre reste une estimation basée sur un design expérimental et non une batterie commerciale pouvant être installée actuellement dans une voiture.

Afin de vérifier que la nouvelle chimie pouvait fonctionner au-delà des petites cellules habituellement utilisées dans les premières phases de recherche, les scientifiques ont également construit une petite cellule en forme de poche à une seule couche. Après 100 cycles de charge, elle conservait 78 % de sa capacité initiale.

Ce chiffre permet de démontrer que la réaction peut être reproduite, mais il montre également à quel point du travail reste à accomplir. La cellule expérimentale utilise un électrode en lithium métallique, des quantités encore relativement faibles de soufre et une quantité d’électrolyte supérieure à celle qui serait souhaitable dans une batterie commerciale.

C’est précisément là que se trouve l’un des grands défis pour intégrer cette chimie dans une voiture électrique. Il ne suffit pas d’obtenir une haute densité énergétique dans le matériau actif. Il faut réduire la quantité d’électrolyte, augmenter la proportion de matériaux actifs, améliorer la durée de vie, contrôler les réactions secondaires et permettre à l’ensemble du système d’être fabriqué de manière économique et à grande échelle.

Cependant, la recherche montre que le soufre dispose encore de marges pour offrir plus que ce qui était pensé. Au lieu de se limiter à améliorer les batteries lithium-soufre conventionnelles, les chercheurs ont modifié la réaction chimique elle-même afin d’exploiter un électron supplémentaire et d’élever en même temps leur tension de fonctionnement.

Pour l’instant, parler de voitures électriques dotées de batteries capables de dépasser 1 700 Wh/kg reviendrait à mélanger deux niveaux complètement différents de la recherche. Cette valeur concerne l’électrode expérimentale. Les chercheurs eux-mêmes estiment cette valeur à 477 Wh/kg en tenant compte des principaux composants du système, et il faudrait encore surmonter de nombreux obstacles avant d’obtenir une batterie commerciale.

Néanmoins, ce résultat est intéressant pour l’automobile, car une batterie qui parviendrait à atteindre pratiquement plusieurs centaines de Wh/kg permettrait de concevoir des packs plus légers pour une même autonomie, ou d’augmenter considérablement l’autonomie sans augmenter en même temps le poids du véhicule. C’est précisément l’un des motifs pour lesquels les batteries au lithium et au soufre font l’objet de recherches depuis tant d’années.

L’étude publiée dans Nature Energy montre que la voie pour y parvenir ne passe pas nécessairement uniquement par l’ajout de plus de matériau ou l’amélioration des électrodes conventionnelles. Dans ce cas, la solution a consisté à faire participer le soufre à une réaction à trois électrons, en utilisant du chlore et un électrolyte conçu spécifiquement pour contrôler le processus.

La technologie est encore à un stade très précoce, et les résultats de cycle de la cellule de type sac reflètent bien cette situation. Cependant, l’expérience ouvre une nouvelle voie dans le domaine des batteries au lithium et au soufre et, surtout, démontre qu’il existe encore des moyens d’extraire plus d’énergie à partir d’un matériau aussi abondant que le soufre.