Des batteries au lithium plus performantes

lithium_batterieUn laboratoire de la University of Waterloo (Canada) appuyé par le CRSNG a réalisé le travail de base sur une batterie au lithium qui peut emmagasiner et libérer plus de trois fois l’énergie des batteries au lithium-ion classiques.

L’équipe de recherche du professeur Linda Nazar, l’étudiant diplômé David Xiulei Ji et le stagiaire postdoctoral Kyu Tae Lee, sont une des premiers à démontrer la robuste performance électrochimique d’une batterie au soufre-lithium. Ce résultat est rapporté aujourd’hui dans l’édition électronique de Nature Materials.

L’idée de créer une batterie au soufre-lithium titille les chimistes depuis vingt ans, et pas seulement parce que la combinaison des propriétés chimiques des deux éléments génère des densités d’énergie très élevées. Le soufre est moins coûteux qu’un grand nombre d’autres matériaux utilisés actuellement dans les batteries au lithium. Il a toujours montré un fort potentiel en tant que compagnon idéal pour la création d’une batterie rechargeable sûre, à faible coût et de longue durée, exactement le genre de batterie requise pour le stockage et le transport d’énergie dans une économie énergétique à faible émission de carbone.

« Le problème a toujours été la cathode, c’est-à-dire la partie de la batterie qui emmagasine et libère les électrons au cours des cycles de charge et de recharge,

explique Mme Nazar.

Pour permettre une réaction électrochimique réversible aux taux élevés actuels, le soufre électroniquement actif doit rester en contact étroit avec un conducteur, comme le carbone. « 

L’équipe de recherche canadienne a devancé la performance d’autres combinaisons de carbone et de soufre en résolvant le problème du contact à l’échelle nanométrique. Même si ses membres disent que la même approche pourrait être utilisée avec d’autres matériaux, ils ont choisi pour leur étude de validation de principe un membre très structuré et poreux de la famille du carbone appelé carbone mésoporeux. À l’échelle nanométrique, ce type de carbone a des pores d’un diamètre et d’un volume très uniformes.

À l’aide d’une méthode de coulée nanométrique, l’équipe a assemblé une structure faite de tiges de carbone de 6,5 nanomètres d’épaisseur séparées par des canaux vides de trois à quatre nanomètres de largeur. Les microfibres de carbone qui enjambent les canaux les gardent ouverts et empêchent l’effondrement de l’architecture.

Le remplissage des vides minuscules s’est révélé simple. Le soufre est chauffé et fondu. Une fois en contact avec le carbone, il est tiré ou s’imbibe par capillarité dans les canaux, où il se solidifie et rétrécit pour former des nanofibres de soufre. Des coupes faites au microscope électronique à balayage ont révélé que tous les espaces étaient uniformément remplis de soufre, exposant au carbone une énorme superficie de l’élément actif et entraînant les résultats exceptionnels obtenus aux essais de la nouvelle batterie.

« Ce composite peut fournir près de 80 p. 100 de la capacité théorique du soufre, laquelle correspond à trois fois la densité d’énergie fournie par les cathodes à oxydes ayant comme métal de transition le lithium, à des taux raisonnables et avec une bonne stabilité cyclique »,

indique Mme Nazar.

En outre, selon les chercheurs, la grande capacité du carbone à incorporer les matériaux actifs ouvre la porte à des composites semblables « imbibés » qui pourraient avoir des applications dans de nombreux domaines de la science des matériaux.

L’équipe de recherche continue d’étudier ce matériau pour résoudre le reste des difficultés et affiner l’architecture et la performance de la cathode.

Mme Nazar a dit qu’elle a déposé une demande de brevet et qu’elle considère des options en vue de la commercialisation et de l’application pratique des travaux de recherche.


Référence :
Article : A highly ordered nanostructured carbon–sulphur cathode for lithium–sulphur batteries [Abstract]
Auteurs : Xiulei Ji, Kyu Tae Lee et Linda F. Nazar
Journal de publication : Nature Materials

Source : Eurekalert

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