Une équipe de recherche de Singapour a mis au point une nouvelle batterie au lithium-soufre qui, selon elle, surmonte les limites des conceptions précédentes. (De gauche à droite) : Dr. Ayman AbdelHamid, Prof. Jackie Y. Ying et M. Jian Liang Cheong.
Les piles au lithium d’aujourd’hui se composent d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte liquide qui transporte les ions de lithium entre elles lors de la charge et de la décharge. Récemment, les scientifiques ont étudié ce que des versions plus solides d’un électrolyte pourraient apporter de plus, notamment en matière de sécurité. Les scientifiques de Singapour font maintenant état d’un nouveau type d’électrolyte semi-solide qui renforce la sécurité des piles au lithium-soufre, qui recèlent un énorme potentiel inexploité en matière de stockage d’énergie.
La perspective d’une batterie lithium-soufre fiable et fonctionnelle (plutôt que la chimie lithium-ion qui est actuellement la norme) est extrêmement excitante pour les chercheurs dans ce domaine. En effet, ces piles peuvent contenir jusqu’à cinq fois plus d’énergie par rapport à leur poids, mais leur durée de vie beaucoup plus courte constitue un obstacle majeur, les matériaux se détériorant et se brisant souvent rapidement.
C’est pourquoi les scientifiques étudient de nouvelles architectures de batteries capables de surmonter ce problème, avec quelques percées prometteuses ces derniers temps. Ces avancées ont été obtenues grâce à une nouvelle conception des composants des batteries, notamment des cathodes hybrides, des électrolytes entièrement solides et de nouvelles liaisons de pontage qui donnent aux particules de soufre « un peu d’espace pour respirer ».
Aujourd’hui, les scientifiques du NanoBio Lab de l’A*STAR de Singapour proposent une autre solution, basée sur ce qu’ils décrivent comme un électrolyte hybride quasi-solide. Ce nouvel électrolyte a été créé selon la méthode du « cupcake », qui consiste à dissoudre des précurseurs métalliques et du saccharose dans de l’eau, qui est ensuite chauffée pour prendre la forme d’un cupcake brun.
Le chauffage de ce cupcake conduit ensuite à la formation d’une membrane poreuse imprégnée de liquide, constituée de feuilles très conductrices et chimiquement stables. L’utilisation de cette pile de feuilles semi-solides et tridimensionnelles comme électrolyte permet un bon contact avec la cathode et l’anode, mais lui permet de rester stable pendant la charge.
« Les électrolytes hybrides quasi-solides comprenant à la fois des composants liquides et solides sont apparus comme un compromis pratique pour obtenir des batteries plus sûres tout en maintenant de bonnes performances », explique le professeur Jackie Y. Ying, qui a dirigé l’équipe de recherche. « Toutefois, la résistance élevée du composant solide a jusqu’à présent limité les performances de ces batteries. Pour surmonter ce problème, nous avons réorganisé la microstructure du composant solide. Notre solution élimine les fuites d’électrolyte, et est thermiquement et mécaniquement stable ».
L’équipe l’a démontré à différentes tensions et rapporte que la batterie a montré une grande capacité, des capacités de charge et de décharge rapides et, dans l’ensemble, « parmi les plus hautes performances connues réalisées par les batteries hybrides lithium-soufre quasi-solides ». L’équipe pense que cette architecture unique pourrait être appliquée à d’autres types de batteries au lithium également.
« Notre cadre basé sur des feuilles 3D s’est avéré crucial pour une performance optimale des batteries », déclare Ying. « De plus, notre système a démontré une stabilité exceptionnelle sous des températures extrêmes. Ces résultats illustrent l’excellent potentiel de notre structure à base de feuilles comme cadre pour d’autres batteries au lithium semi-solides ».
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520301907
