Une batterie au lithium-soufre quintuple l’autonomie des VE
Une nouvelle membrane de batterie d’inspiration biologique a permis à une batterie d’une capacité cinq fois supérieure à celle de la batterie lithium-ion standard de fonctionner pendant plus de mille cycles, ce qui est nécessaire pour alimenter une voiture électrique.
Une batterie au lithium-soufre plus performante
Une équipe de l’université du Michigan a démontré qu’un réseau de nanofibres d’aramide, recyclées à partir de Kevlar, peut permettre aux batteries au lithium-soufre de surmonter leur talon d’Achille en matière de durée de vie, c’est-à-dire le nombre de fois où elles peuvent être chargées et déchargées.
« Il existe un certain nombre de rapports revendiquant plusieurs centaines de cycles pour les batteries au lithium-soufre, mais ce résultat est obtenu au détriment d’autres paramètres – capacité, taux de charge, résilience et sécurité. Aujourd’hui, le défi consiste à fabriquer une batterie dont le taux de cyclage passe de 10 à plusieurs centaines de cycles, tout en satisfaisant à de multiples autres exigences, y compris le coût », a déclaré Nicholas Kotov, professeur émérite qui a dirigé ces recherches.
« L’ingénierie biomimétique de ces batteries intègre deux échelles : l’échelle moléculaire et l’échelle nanométrique. Pour la première fois, nous avons intégré la sélectivité ionique des membranes cellulaires et la résistance du cartilage. Notre approche de système intégré nous a permis de relever les défis primordiaux des batteries au lithium-soufre. »
Auparavant, son équipe s’était appuyée sur des réseaux de nanofibres d’aramide imprégnées d’un gel électrolytique pour stopper l’une des principales causes de la faible durée de vie des batteries : les dendrites qui se développent d’une électrode à l’autre, perçant la membrane. La ténacité des fibres d’aramide arrête les dendrites.
Corriger un problème des batteries au lithium-soufre
Mais les batteries au lithium-soufre ont un autre problème : de petites molécules de lithium et de soufre se forment et coulent vers le lithium, s’attachant et réduisant la capacité de la batterie. La membrane doit permettre aux ions lithium de circuler du lithium vers le soufre et inversement – et bloquer les particules de lithium et de soufre, appelées polysulfures de lithium. Cette capacité est appelée sélectivité ionique.
« Inspirés par les canaux ioniques biologiques, nous avons conçu des autoroutes pour les ions lithium où les polysulfures de lithium ne peuvent pas passer les péages », a déclaré Ahmet Emre, chercheur postdoctoral en génie chimique.
Les ions lithium et les polysulfures de lithium sont de taille similaire, il n’était donc pas suffisant de bloquer les polysulfures de lithium en créant de petits canaux. En imitant les pores des membranes biologiques, les chercheurs de l’U-M ont ajouté une charge électrique aux pores de la membrane de la batterie.
Pour ce faire, ils ont exploité les polysulfures de lithium eux-mêmes : ils se sont collés aux nanofibres d’aramide et leurs charges négatives ont repoussé les ions polysulfure de lithium qui continuaient à se former à l’électrode de soufre. Les ions de lithium chargés positivement, en revanche, pouvaient passer librement.
« Atteindre des niveaux records pour de multiples paramètres pour de multiples propriétés des matériaux est ce qui est nécessaire maintenant pour les batteries de voiture », a déclaré Kotov. « C’est un peu comme la gymnastique pour les Jeux olympiques – il faut être parfait dans tous les domaines, y compris la durabilité de leur production. »
Une conception « presque parfaite »
En tant que batterie, Kotov affirme que cette conception est « presque parfaite », sa capacité et son efficacité approchant les limites théoriques. Elle peut également supporter les températures extrêmes de la vie d’une automobile, de la chaleur de la charge en plein soleil au froid de l’hiver. Toutefois, la durée de vie réelle du cycle peut être plus courte avec la charge rapide, plutôt de l’ordre de 1 000 cycles, précise-t-il. Cette durée est considérée comme une durée de vie de dix ans.
Plusieurs avantages
Outre leur capacité supérieure, les batteries au lithium-soufre présentent des avantages en matière de durabilité par rapport aux autres batteries au lithium-ion. Le soufre est beaucoup plus abondant que le cobalt des électrodes lithium-ion. En outre, les fibres d’aramide de la membrane de la batterie peuvent être recyclées à partir de vieux gilets pare-balles.
Cette recherche a été publiée dans Nature Communications.
Source : University of Michigan
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