Les nanocomposites électrocatalyseurs pourraient réinventer les batteries lithium-soufre avec des temps de charge de 5 minutes

De lithium-ion à lithium-soufre

Les batteries lithium-ion ont, jusqu’à présent, dominé le marché des batteries.  Cela est dû à la fois à leur haute densité énergétique et à une avance grâce à leur utilisation et production massives pour le marché des appareils électroniques grand public.

Lorsqu’elles sont utilisées dans d’autres applications, les limites de capacité des batteries lithium-ion ont commencé à apparaître. Par exemple, les batteries lithium-ion se rechargent relativement lentement, et bien que la charge rapide soit possible, elle tend à endommager la durée de vie de la batterie.

La charge lente a été un problème constant pour les propriétaires de véhicules électriques et est souvent citée comme une raison pour laquelle les gens refusent d’adopter les véhicules électriques.

Avec les véhicules électriques devenus aujourd’hui le principal consommateur de batteries en termes de capacité énergétique, une nouvelle chimie de batterie qui se charge plus rapidement pourrait rapidement devenir populaire et concurrencer les conceptions lithium-ion.

Une chimie prometteuse de ce type est la batterie lithium-soufre. Les conceptions précédentes étaient encore plus lentes à charger que les lithium-ion, mais de nouveaux nanomatériaux pourraient permettre à un véhicule électrique alimenté par lithium-soufre de se charger en seulement 5 minutes.

Avantages et défis du lithium-soufre

La nouvelle technologie de batterie lithium-soufre a été découverte par des chercheurs des universités et instituts de recherche chinois et australiens (Adelaide, Tianjin, ANSTO et Tsinghua) et publiée dans Nature Nanotechnology sous le titre « Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering ».

Les batteries lithium-soufre sont depuis longtemps reconnues pour offrir une densité énergétique incroyable, plus du double de l’énergie des batteries lithium-ion classiques lorsqu’elle est mesurée en Wh/kg (énergie spécifique), et des performances supérieures lorsqu’elle est mesurée en Wh/L (capacité spécifique).

Source: Vertex Holdings

Les principaux problèmes qui ont jusqu’à présent empêché les prototypes de batteries lithium-soufre d’être largement adoptés sont une faible durée de vie (un tiers de celle des lithium-ion) et une vitesse de charge très lente, nécessitant 1 à 10 heures pour une charge complète.

Ce qui est évidemment inacceptable pour les véhicules électriques, les utilisateurs se plaignant déjà des 20 à 30 minutes avec les lithium-ion.

(Nous avons discuté de nombreuses chimies alternatives au lithium-ion dans notre article de référence « L’Avenir de la mobilité – Technologie des batteries»).

Les limitations du lithium-soufre ont soudainement changé grâce à la découverte récente publiée dans Nature, avec une nouvelle conception de lithium-soufre promettant des performances étonnantes :

• Durée de vie d’au moins 1 000 cycles, similaire à celle des lithium-ion.
• Énergie spécifique de 1 306 Wh/kg, 10 fois plus que les lithium-ion, et même supérieure à la plupart des conceptions de batteries à état solide.
• Cycle de charge/décharge de moins de 5 minutes.

Construire des batteries lithium-soufre à l’échelle nanométrique

Alors, comment les chercheurs ont-ils réussi à construire ce qui semble être la batterie parfaite ?

Tout d’abord, ils ont examiné au niveau atomique/quantiques la réaction de réduction du soufre (SRR), la partie clé contrôlant le taux de charge/décharge. Pour ce faire, ils ont utilisé un accélérateur de particules (Australian Synchrotron, ANSTO) afin de déterminer l’occupation orbitale atomique (la position des électrons autour de l’atome de soufre) exacte dans les catalyseurs à base de métal.

Munis de ces données jamais auparavant analysées, ils ont pu prédire avec précision la vitesse et le processus de la réaction de réduction du soufre (SRR).

Avec ce modèle prédictif en main, ils ont ensuite conçu des électrocatalyseurs nanocomposites, composés de carbone et de plusieurs alliages différents de catalyseurs métalliques tels que le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre et le zinc.

Finalement, un alliage de cobalt et de zinc a été sélectionné, avec les performances remarquables décrites ci-dessus.

Quelles sont les prochaines étapes ?

Le développement d’une telle « super batterie » pourrait constituer un point de bascule dans l’électrification de nos systèmes énergétiques, du transport à l’adoption massive des énergies renouvelables nécessitant des batteries puissantes à l’échelle des services publics.

Cependant, il est encore tôt, et plusieurs questions doivent être résolues avant que les batteries lithium-soufre ne prennent le relais.

Matériaux rares

Les fabricants de batteries lithium-ion et de véhicules électriques tentent depuis des années de s’éloigner des conceptions utilisant du cobalt. En effet, le cobalt est un minéral rare, et sa principale source se trouve en République démocratique du Congo, où la production de cobalt a été liée au travail des enfants, à l’esclavage et, de manière générale, à des violations des droits humains.

Ainsi, le nanocluster cobalt-zinc utilisé dans l’électrocatalyseur devra également faire face à ce problème.

Coûts

Les coûts élevés des matériaux constituent une autre raison pour laquelle l’industrie s’éloigne des conceptions à base de cobalt au profit de batteries utilisant le solide, le lithium-fer-phosphate (LFP) ou le sodium-ion.

Cela pourrait donc poser problème pour les batteries lithium-soufre à base de cobalt. Même si elles sont beaucoup plus efficaces et plus denses en énergie que les lithium-ion.

Parallèlement, une énergie spécifique extrêmement élevée signifie que moins de batteries seront nécessaires pour la même autonomie d’un véhicule électrique.

Cela réduit considérablement le poids du véhicule électrique, les batteries représentant actuellement plus de 25 % du poids du véhicule. Un poids plus faible augmente encore davantage l’autonomie.

Les véritables facteurs déterminants seront le prix par Wh des batteries lithium-soufre, et à quel point le poids du pack de batteries pourra être réduit.

Production de masse

La dernière décennie a vu de nombreux matériaux et conceptions innovants dans la technologie des batteries. Mais transformer une cellule de laboratoire en pack de batteries, puis créer un processus à l’échelle industrielle pour les fabriquer n’est pas trivial.

Par exemple, la date de commercialisation des batteries à état solide a été reportée à plusieurs reprises d’année en année par QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG, etc. (QS )

Ce n’est pas parce que la technologie ne fonctionne pas, mais parce que la production de masse à grande échelle de batteries à état solide, sans problèmes de qualité et à faible coût, s’est avérée très difficile.

Ainsi, il reste probablement de nombreuses étapes à franchir pour transformer ce prototype de lithium-soufre en batterie commerciale.

Conclusion

Les batteries ont été le point faible des véhicules électriques depuis leur création, un problème qui se résout lentement grâce aux énormes efforts de recherche des universités du monde entier, ainsi que des leaders industriels tels que CATL, Telsa, LG, etc.

Il n’est pas clair quelle conception ou chimie prévaudra finalement. Le concurrent le plus fort semble être les batteries à état solide, et le lithium-soufre pourrait être la génération de batteries qui viendra après la commercialisation des batteries à état solide.

Le LFP et le sodium-ion pourraient également être présents pour des applications et des produits axés sur les faibles coûts plutôt que sur les hautes performances.

Et bien sûr, peut-être même des conceptions plus exotiques pour les batteries à l’échelle des services publics avec des exigences très différentes de celles des véhicules électriques, comme les batteries fer-air, redox, gravité ou béton que nous avons abordées dans nos articles « L’Avenir du stockage d’énergie – Batteries à grande échelle » et « Alternatives non chimiques aux batteries pour la transition énergétique ».

Dans tous les cas, l’avenir des systèmes énergétiques tend vers une électrification massive. Et la technologie des batteries progresse très rapidement, ce qui devrait probablement éliminer le dernier obstacle à l’adoption massive des véhicules électriques et des énergies renouvelables.