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Revisiter les batteries lithium-soufre
Les batteries lithium-soufre, qui peuvent potentiellement stocker plusieurs fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion, ont toujours été trop coûteuses, dangereuses et peu fiables pour être fabriquées commercialement. Mais ils font peau neuve maintenant, en raison de certaines avancées récentes. Les améliorations apportées à la conception de ces batteries ont conduit le géant de la chimie BASF de Ludwigshafen, en Allemagne, pour faire équipe avec Puissance de Sion , une entreprise de Tucson, en Arizona, qui a déjà développé des prototypes de cellules de batterie lithium-soufre.
Pouvoir de soufre : Ce prototype de batterie lithium-soufre a été développé par Sion Power. En coopération avec BASF, l'entreprise a l'intention d'améliorer la conception des batteries pour une utilisation dans les véhicules électriques.
Par rapport aux technologies existantes utilisées dans les véhicules électriques, le plan est d'augmenter la distance de conduite au moins 5 à 10 fois, pour une batterie de taille donnée, explique Thomas Weber, PDG d'une filiale de BASF appelée Affaires futures de BASF . D'autres experts disent qu'une triple amélioration est une estimation plus raisonnable, mais ce serait tout de même un bond impressionnant en termes de performances. Weber affirme que l'expertise de BASF dans les matériaux aidera Sion Power à améliorer encore sa technologie et à la commercialiser plus rapidement. Il a toutefois refusé de fournir des détails sur l'arrangement, y compris le montant d'argent impliqué et la manière dont les entreprises partageront les bénéfices.
Les batteries lithium-soufre ont une électrode en lithium et une autre en soufre qui est généralement associée à du carbone. Comme pour les batteries lithium-ion, la charge et la décharge de la batterie impliquent le mouvement des ions lithium entre les deux électrodes. Mais la capacité théorique des batteries lithium-soufre est supérieure à celle des batteries lithium-ion en raison de la manière dont les ions sont assimilés au niveau des électrodes. Par exemple, à l'électrode de soufre, chaque atome de soufre peut héberger deux ions lithium. En règle générale, dans les batteries lithium-ion, pour chaque atome hôte, seuls 0,5 à 0,7 ions lithium peuvent être logés, dit beau nazar , professeur de chimie à l'Université de Waterloo.
Fabriquer des matériaux qui tirent parti de cette capacité théorique plus élevée a été un défi. Un gros problème est que le soufre est un matériau isolant, ce qui rend difficile l'entrée et la sortie des électrons et des ions. Ainsi, alors que chaque atome de soufre peut en théorie être capable d'héberger deux ions lithium, en fait, seuls les atomes de soufre proches de la surface du matériau acceptent souvent les ions lithium.
Un autre problème est que lorsque le soufre se lie aux ions lithium, formant finalement du sulfure de dilithium, il forme un certain nombre de produits intermédiaires appelés polysulfures. Ceux-ci se dissolvent dans l'électrolyte liquide de la batterie et peuvent éventuellement se déposer dans d'autres zones de la batterie, où ils peuvent bloquer la charge et la décharge. Pour cette raison, la batterie peut cesser de fonctionner complètement après seulement quelques dizaines de cycles.
De plus, l'électrode au lithium métal présente des problèmes de sécurité potentiels. Par exemple, pendant l'utilisation, l'électrode de lithium peut développer des structures en forme de branche qui augmentent l'impédance de la cellule, provoquant son échauffement. Finalement, ces structures peuvent provoquer un court-circuit. Si la batterie chauffe, le métal peut fondre. Si le lithium fondu s'échappe de la cellule et entre en contact avec de l'eau, il peut déclencher un incendie. L'électrolyte de la batterie peut également prendre feu.
Bien qu'il ait refusé de donner des détails, Weber affirme que ces problèmes de sécurité ont été résolus. L'objectif de BASF est d'améliorer encore les matériaux pour accéder à une plus grande partie de leur capacité théorique, ce que l'entreprise a un plan clair pour faire, selon lui.
En termes de résolution des problèmes de sécurité, trois avancées pourraient expliquer la confiance de Weber. Les méthodes de traitement chimique des électrodes au lithium métal peuvent empêcher au moins une certaine formation de dendrite, bien que tous les chercheurs ne soient pas convaincus que cette approche sera suffisante. De plus, des membranes polymères et céramiques améliorées qui séparent les deux électrodes et résistent au perçage des dendrites pourraient empêcher les courts-circuits. Les batteries, cependant, pourraient toujours être vulnérables aux courts-circuits si elles sont endommagées. Pour éviter les incendies d'électrolytes, Nazar dit que des électrolytes moins volatils pourraient être utilisés avec les batteries lithium-soufre car elles ont une tension inférieure à celle des batteries lithium-ion.
D'autres problèmes, notamment une faible conductivité et un nombre limité de cycles de recharge, semblent avoir été résolus au moins en partie par Sion Power. La société a produit des cellules qui stockent plus de deux fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion disponibles aujourd'hui, ce que BASF espère améliorer. Et Weber dit que les batteries peuvent durer toute la durée de vie d'une voiture, bien que cela puisse être basé sur des projections de Sion Power, plutôt que sur des performances mesurées.
John Kopera, directeur des opérations commerciales de Sion Power, a déclaré que les batteries actuelles de l'entreprise sont conçues pour 50 cycles et qu'elle a un plan complet pour atteindre environ 1 000 cycles. (C'est suffisant pour conduire jusqu'à 300 000 milles, avec une batterie qui offre une autonomie de 300 milles.)
Les deux sociétés gardent pour elles les détails de leurs avances. Mais cette semaine, dans le journal Matériaux naturels, Nazar a décrit une approche possible pour résoudre ces problèmes. Dans le passé, les chercheurs ont amélioré la conductivité en combinant du soufre avec du carbone. Nazar est allé plus loin en prenant des électrodes composées de tubes de carbone régulièrement espacés et en les faisant à peine quelques nanomètres de large. (Leur structure est différente de celle des nanotubes de carbone.) L'équipe de Nazar a ensuite emballé du soufre dans les espaces nanométriques entre ces tubes, de sorte que la plupart des atomes de soufre se trouvent à proximité du carbone conducteur, les rendant accessibles à la fois aux électrons et aux ions lithium.
Les tubes de carbone ont également aidé à résoudre le problème des polysulfures, qui peuvent tuer une cellule prématurément. Les tubes de carbone emprisonnent efficacement les polysulfures en place jusqu'à ce qu'ils soient complètement convertis en sulfure de dilithium, qui n'empoisonne pas la batterie. Le revêtement du carbone avec un polymère ayant une affinité pour les polysulfures permet également de les maintenir en place. Mais il n'est pas clair si BASF pourrait également essayer une électrode nanostructurée pour améliorer les matériaux de Sion. Jusqu'à présent, Sion Power n'a pas utilisé de matériaux nanostructurés, dit Kopera. L'un des défis de l'approche de Nazar est qu'il sera difficile de fabriquer les électrodes à tube de carbone en grands volumes.
Certains problèmes subsistent probablement. D'une part, les batteries peuvent être coûteuses – le lithium métal est la forme de lithium la plus chère. De plus, aucune donnée définitive n'est encore disponible sur le nombre de cycles de recharge que les batteries peuvent subir et sur leur réaction aux tests de sécurité. Pourtant, dit Nazar, la technologie a certainement parcouru un long chemin. Nos développements et ceux de quelques autres entreprises lui permettent certainement d'être beaucoup plus proche de la réalité.