Voie jusqu’alors inconnue vers les batteries avec

Les scientifiques découvrent une voie surprenante vers de meilleures batteries lithium-soufre en visualisant les réactions à l’échelle atomique.

Le chemin qui mène de la percée en laboratoire à la technologie pratique peut être long et semé d’embûches. La batterie lithium-soufre en est un exemple. Il présente des avantages notables par rapport au courant batteries lithium-ion alimenter les véhicules. Mais cela n’a pas encore ébranlé le marché malgré un développement intense depuis de nombreuses années.

Cette situation pourrait changer à l’avenir grâce aux efforts des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE). Au cours de la dernière décennie, ils ont réalisé plusieurs découvertes cruciales liées aux batteries lithium-soufre. Leur dernière révélation, publiée dans Nature, révèle un mécanisme de réaction jusqu’alors inconnu qui répond à une lacune majeure : la durée de vie très courte des batteries.

Gui-Liang Xu, chimiste à la division des sciences chimiques et de l’ingénierie d’Argonne, a déclaré que “Les efforts de notre équipe pourraient rapprocher les États-Unis d’un grand pas vers un paysage de transport plus vert et plus durable. »

Les batteries lithium-soufre offrent trois avantages significatifs par rapport aux batteries lithium-ion actuelles. Premièrement, ils peuvent stocker deux à trois fois plus d’énergie dans un volume donné, ce qui permet d’allonger l’autonomie des véhicules. Deuxièmement, leur moindre coût, facilité par l’abondance et le prix abordable du soufre, les rend économiquement viables. Enfin, ces batteries ne dépendent pas de ressources critiques comme le cobalt et le nickel, qui pourraient être confrontées à des pénuries à l’avenir.

Malgré ces avantages, la transition du succès en laboratoire à la viabilité commerciale s’est révélée difficile à réaliser. Les cellules de laboratoire ont montré des résultats prometteurs, mais lorsqu’elles sont mises à l’échelle commerciale, leurs performances diminuent rapidement avec des charges et décharges répétées.

La cause sous-jacente de cette baisse de performance réside dans la dissolution du soufre de la cathode lors de la décharge, conduisant à la formation de polysulfures de lithium solubles (Li₂S₆). Ces composés s’écoulent dans l’électrode négative (anode) au lithium métallique pendant la charge, aggravant encore le problème. Par conséquent, la perte de soufre de la cathode et les modifications de la composition de l’anode nuisent considérablement aux performances de la batterie pendant le cyclage.

Dans un récent étude antérieure, les scientifiques d’Argonne ont développé un matériau catalytique qui, ajouté en petite quantité à la cathode de soufre, éliminait essentiellement le problème de perte de soufre. Bien que ce catalyseur se soit montré prometteur dans les cellules de laboratoire et de taille commerciale, son mécanisme de fonctionnement à l’échelle atomique est resté jusqu’à présent une énigme.

Les recherches les plus récentes de l’équipe ont mis en lumière ce mécanisme. En l’absence de catalyseur, des polysulfures de lithium se forment à la surface de la cathode et subissent une série de réactions, convertissant finalement la cathode en sulfure de lithium (Li₂S).

“Mais la présence d’une petite quantité de catalyseur dans la cathode fait toute la différence”, a déclaré Xu. “S’ensuit une voie de réaction très différente, sans étapes de réaction intermédiaires. “

La clé est la formation de bulles denses à l’échelle nanométrique de polysulfures de lithium à la surface de la cathode, qui n’apparaissent pas sans le catalyseur. Ces polysulfures de lithium se propagent rapidement dans toute la structure cathodique pendant la décharge et se transforment en sulfure de lithium constitué de cristallites à l’échelle nanométrique. Ce processus évite la perte de soufre et la baisse de performance dans les cellules de taille commerciale.

En déverrouillant cette boîte noire autour du mécanisme réactionnel, les scientifiques ont eu recours à des techniques de caractérisation de pointe. Les analyses de la structure du catalyseur avec les faisceaux intenses de rayons X synchrotron sur la ligne de lumière 20-BM de Advanced Photon Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science, ont révélé qu’il joue un rôle essentiel dans le processus de réaction. La structure du catalyseur affecte la forme et la composition du produit final lors de la décharge, ainsi que les produits intermédiaires. Avec le catalyseur, du sulfure de lithium nanocristallin se forme lors d’une décharge complète. Sans le catalyseur, des structures microscopiques en forme de bâtonnet se forment.

« Les efforts de notre équipe pourraient rapprocher les États-Unis d’un paysage de transport plus vert et plus durable. — Gui-Liang Xu, chimiste à la division Sciences et Ingénierie Chimiques d’Argonne

Une autre technique vitale, développée à l’Université de Xiamen, a permis à l’équipe de visualiser l’interface électrode-électrolyte à l’échelle nanométrique pendant qu’une cellule de test fonctionnait. Cette technique nouvellement inventée a permis de relier les changements à l’échelle nanométrique au comportement d’une cellule en fonctionnement.

“Sur la base de notre découverte passionnante, nous effectuerons davantage de recherches pour concevoir des cathodes au soufre encore meilleures”, a noté Xu. “Il serait également intéressant d’explorer si ce mécanisme s’applique à d’autres batteries de nouvelle génération, comme celles au sodium-soufre.”

Grâce à cette dernière avancée de l’équipe, l’avenir des batteries lithium-soufre semble plus prometteur, offrant une solution plus durable et plus respectueuse de l’environnement pour l’industrie des transports.

Un article sur cette recherche est paru dans NatureOutre Xu, les auteurs incluent Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng, Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun et Hong-Gang Liao.

Parmi les autres institutions participantes figurent l’Université de Xiamen, l’Université de technologie chimique de Pékin et l’Université de Nanjing. La recherche sur Argonne a été soutenue par l’Office of Vehicle Technologies du DOE de l’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

À propos de la source de photons avancée

La source de photons avancée (APS) du Département américain de l’énergie, située au Laboratoire national d’Argonne, est l’une des installations de source de lumière à rayons X les plus productives au monde. L’APS fournit des faisceaux de rayons X à haute luminosité à une communauté diversifiée de chercheurs dans les domaines de la science des matériaux, de la chimie, de la physique de la matière condensée, des sciences de la vie et de l’environnement et de la recherche appliquée. Ces rayons X sont parfaitement adaptés à l’exploration des matériaux et des structures biologiques ; distribution élémentaire; états chimiques, magnétiques, électroniques ; et un large éventail de systèmes d’ingénierie technologiquement importants, depuis les batteries jusqu’aux pulvérisateurs d’injecteurs de carburant, qui constituent tous les fondements du bien-être économique, technologique et physique de notre pays. Chaque année, plus de 5 000 chercheurs utilisent l’APS pour produire plus de 2 000 publications détaillant des découvertes marquantes et résoudre davantage de structures protéiques biologiques vitales que les utilisateurs de tout autre centre de recherche sur les sources de lumière à rayons X. Les scientifiques et ingénieurs de l’APS innovent dans une technologie qui est au cœur de l’avancement des opérations des accélérateurs et des sources de lumière. Cela inclut les dispositifs d’insertion qui produisent des rayons X d’une luminosité extrême prisés par les chercheurs, des lentilles qui concentrent les rayons X jusqu’à quelques nanomètres, des instruments qui maximisent la façon dont les rayons X interagissent avec les échantillons étudiés, et des logiciels qui rassemblent et gère la quantité massive de données issues de la recherche découverte à l’APS.

Cette recherche a utilisé les ressources de Advanced Photon Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE des États-Unis, exploitée pour le Bureau des sciences du DOE par le Laboratoire national d’Argonne sous le contrat n° DE-AC02-06CH11357.

Laboratoire National d’Argonne cherche des solutions aux problèmes nationaux urgents en matière de science et de technologie. Premier laboratoire national du pays, Argonne mène des recherches scientifiques fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d’Argonne travaillent en étroite collaboration avec des chercheurs de centaines d’entreprises, d’universités et d’agences fédérales, étatiques et municipales pour les aider à résoudre leurs problèmes spécifiques, à faire progresser le leadership scientifique américain et à préparer la nation à un avenir meilleur. Avec des employés de plus de 60 pays, Argonne est dirigée par UChicago Argonne, LLC pour le Office of Science du Département américain de l’énergie.

Office of Science du Département américain de l’énergie est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.