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Claire Villevieille, responsable du groupe matériaux pour batteries au PSI, utilisant l’instrument pour la diffraction des rayons X.
Markus Fischer/PSI(sda-ats)
Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI) et de l’Université Grenoble-Alpes (F) ont développé une méthode qui pourrait permettre aux batteries lithium-soufre de faire une percée. Y ajouter de la poudre de quartz évite une perte de capacité trop rapide.
La batterie lithium-soufre est considérée comme un candidat prometteur pour le stockage de l'énergie du futur: les matériaux nécessaires à sa construction sont peu coûteux, relativement écologiques et facilement disponibles. De surcroît, en théorie, cette batterie est capable de fournir trois fois plus d'énergie que la batterie lithium-ion aujourd'hui largement utilisée, a indiqué le PSI dans un communiqué.
Toutefois, certains obstacles demeurent, notamment le fait que la batterie lithium-soufre perd rapidement en capacité lorsqu'on la recharge de manière répétée. Les prototypes actuels ne peuvent pas accomplir autant de cycles de charge que les batteries lithium-ion conventionnelles et ne fournissent par ailleurs qu'une fraction de l'énergie théoriquement disponible.
Les chercheurs ont observé les réactions chimiques qui se déroulent à l'intérieur de la batterie à l'aide de la méthode dite "de diffraction des rayons X operando". Ils ont été les premiers à visualiser les modifications que subissent les composés liquides lithium-soufre dans la batterie, selon ces travaux publiés dans la revue Nature Energy.
C'est par hasard, en immergeant dans l'électrolyte - le composant liquide de la batterie - des fibres de verre sur lesquelles se déposent les polysulfures, afin de pouvoir visualiser ces derniers, qu'ils ont constaté que cette adjonction permettait d'améliorer l'accumulateur. Or le quartz est le principal composant du sable et le principal ingrédient du verre.
Performance accrue d'un quart
Les scientifiques sont parvenus à quantifier l'avantage de la poudre de quartz: "Avec cette adjonction, la performance d'une batterie lithium-soufre augmente de 25% à 30%", explique Claire Villevieille, chercheuse au PSI et coauteure de l'étude.
Le fonctionnement de la batterie lithium-soufre entraîne l'apparition de polysulfures. Ces derniers sont un composant principal de la batterie, mais ils sont partie prenante d'un phénomène indésirable: une partie d'entre eux passe dans l'électrolyte où, à chaque charge et décharge, ils effectuent des va-et-vient.
Les chercheurs parlent d'effet navette. Les polysulfures mal acheminés réagissent avec l'électrode de lithium de la batterie, ce qui entraîne une diminution de la quantité de soufre disponible, autrement dit de la quantité de matériau actif, et la capacité de la batterie s'amenuise.
Encore du chemin
La poudre de quartz contrecarre ce processus en fixant les polysulfures, si bien que l'intérieur de la batterie reste propre et opérationnel plus longtemps. La réversibilité du processus de décharge s'améliore. "Nous appelons cela l'efficacité coulombique", ajoute Claire Villevieille: "Elle augmente, passant d'environ 80% à 90%".
En comparaison, l'efficacité coulombique d'une batterie lithium-ion conventionnelle est de plus de 99,9%. "D'ici à ce que nous l'atteignions, le chemin est donc encore long", concède la chercheuse, "mais nous avons déjà effectué un grand pas".
Outre l'adjonction de poudre de quartz, il existe en principe d'autres approches pour empêcher les polysulfures de perturber le bon fonctionnement de la batterie. Mais elles sont soit très compliquées, soit très chères, soit les deux, surtout lorsqu'on passe à l'échelle industrielle. Le quartz est pratiquement le matériau le plus avantageux qui existe.
ATS