Les batteries lithium-soufre n’ont jamais exploité leur potentiel en tant que nouvelle génération de batteries renouvelables pour véhicules électriques et autres appareils. Mais Donghai Wang, ingénieur en mécanique chez SMU, et son équipe de recherche ont trouvé un moyen de faire durer ces batteries Li-S plus longtemps – avec des niveaux d’énergie plus élevés – que les batteries renouvelables existantes.
L’équipe de recherche a réussi à empêcher les batteries Li-S de produire un effet secondaire indésirable appelé dissolution du polysulfure qui apparaît avec le temps, raccourcissant leur durée de vie.
“Cette avancée pourrait conduire à des batteries plus durables et plus durables”, a déclaré Wang, titulaire de la chaire de génie mécanique de la Brown Foundation et professeur de génie mécanique à SMU Lyle. Ses recherches portent sur la conception et la synthèse de matériaux fonctionnels nanostructurés et de technologies de stockage d’énergie comme les batteries Li-ion et au-delà de la technologie Li-ion.
Une étude publiée dans la revue Durabilité de la nature montre que la cathode à réseau polymère hybride nouvellement développée par l’équipe permet aux batteries Li-S de fournir plus de 900 mAh/g (milliampères-heures par gramme de masse), par rapport à la capacité typique de 150 à 250 mAh/g des batteries lithium-ion. Cela signifie qu’il peut conserver une quantité beaucoup plus élevée d’énergie électrique.
« Elle offre également une excellente stabilité de cyclage, surpassant les batteries lithium-soufre conventionnelles », a déclaré Wang.
La capacité de cyclage mesure le nombre de fois qu’une batterie peut se charger et se décharger avant que sa capacité ne se dégrade fortement. Une capacité de cyclage plus élevée signifie une batterie plus durable.
Des chercheurs de l’Université d’État de Pennsylvanie, du Pacific Northwest National Laboratory, du Brookhaven National Laboratory, de l’Université de l’Illinois à Chicago et de l’Argonne National Laboratory ont aidé Wang à concevoir la cathode.
Une solution rentable qui fournit plus d’énergie
Ce qui rend les batteries Li-S si prometteuses en tant que source d’énergie renouvelable, c’est qu’elles sont plus rentables et peuvent contenir plus d’énergie que les batteries rechargeables traditionnelles à base d’ions.
Mais il y a un problème majeur avec ces batteries.
« Au fil des années, la communauté des batteries a eu du mal à atténuer les effets négatifs de la dissolution des polysulfures », a déclaré Wang.
Toutes les batteries ont une borne positive et une borne négative. À l’intérieur de la batterie, la réaction chimique qui se produit continuellement entre ces deux bornes fournit de l’énergie ou de l’électricité à la batterie.
Dans le cas des batteries Li-S, une électrode ou une borne positive contenant du soufre appelée cathode est associée à une électrode négative au lithium métallique appelée anode. Entre ces composants se trouve l’électrolyte, ou la substance qui permet aux ions de passer entre les deux extrémités de la batterie.
Pourtant, le soufre est loin d’être un matériau idéal pour une électrode.
Lorsque les ions lithium se lient aux atomes de soufre au niveau de la cathode, ils créent des molécules de polysulfure solubles qui dérivent dans l’électrolyte, provoquant une dégradation de la cathode et réduisant la capacité de la batterie à supporter plusieurs cycles de charge. C’est ce qu’on appelle la dissolution des polysulfures.
Wang et son équipe ont trouvé un moyen de résoudre ce problème en utilisant ce qu’ils ont appelé une cathode à réseau polymère hybride.
“Notre cathode utilise plusieurs attaches de liaison au soufre, une adsorption atomique et un transport rapide Li-ion/électrons au niveau moléculaire”, a expliqué Wang. “Cette combinaison permet la re-liaison et l’adsorption en temps réel de toute espèce de soufre non liée, éliminant ainsi efficacement les polysulfures solubles et prolongeant la durée de vie de la batterie.”
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