Batterie primaire au lithium-soufre à très haute densité énergétique : basée sur le chou-fleur

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 14949 (2015) Citer cet article

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Les batteries primaires lithium-soufre, rarement rapportées dans les publications précédentes, ont été développées dans ce travail. Afin de maximiser sa densité d'énergie pratique, une nouvelle cathode C/S poreuse hiérarchique de type chou-fleur a été conçue pour faciliter le transport des ions lithium et l'hébergement du soufre. Ce type de cathode pourrait libérer une capacité d'environ 1 300 mAh g−1 (S) avec une charge de soufre de 6 ~ 14 mg cm−2 et a montré une excellente stabilité de conservation au cours d'un test d'un mois à température ambiante. En conséquence, la batterie souple Li-S assemblée a atteint une densité énergétique de 504 Wh kg−1 (654 Wh L−1), ce qui était la valeur la plus élevée jamais rapportée à notre connaissance. Ces travaux pourraient susciter l’intérêt pour le développement de batteries primaires Li-S, avec un grand potentiel d’application pratique.

Les efforts visant à développer des batteries primaires à haute densité énergétique et à faible coût n'ont jamais été arrêtés depuis l'invention des batteries Volt au XVIIIe siècle1,2. De nombreux progrès significatifs ont été réalisés au cours de la période 1970-1990 et ont été favorisés par le développement simultané de la technologie électronique, les nouvelles demandes de sources d'énergie portables et le soutien aux programmes d'amélioration spatiale, militaire et environnementale. Ces dernières années en particulier, un grand nombre de batteries à haute densité énergétique ont été développées, telles que les systèmes Zn-O2, Mg-O2, Al-O2, Na-O2 et Li-O23, qui se sont révélés favorables dans un environnement oxygéné. En outre, des batteries dans des conditions isolées, telles que les systèmes Li-SO2, Li-SOCl2, Li-MnO2 et Li-CFx actuellement développés, ont également été développées pour des applications telles que l'océan, l'espace, etc.

Comme le montrent les tableaux 13,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, ces batteries primaires en cours de développement ont déjà atteint une densité de capacité spécifique pratique élevée, d'excellentes performances à basse température ou une densité de puissance élevée. Cependant, il existe encore quelques problèmes caractéristiques, tels que la sécurité peu satisfaisante, l'hystérésis de tension, la polarisation électrochimique importante ou le coût relativement élevé des matériaux. En outre, l’augmentation de la densité énergétique des batteries primaires a diminué au cours de la dernière décennie, à mesure que les systèmes de batteries existants ont mûri et que le développement de nouvelles batteries à plus haute énergie est limité par le manque de matériaux et de produits chimiques nouveaux et/ou non testés. Par conséquent, le développement de nouvelles batteries primaires à haute densité énergétique reste une tâche souhaitable mais difficile.

Actuellement, les batteries Li-S suscitent une grande attention dans le monde entier14,15,16,17,18,19. Ce système de batterie possède un coût extrêmement faible, une densité d'énergie spécifique extrêmement élevée (2 600 Wh kg−1) et un respect de l'environnement, ce qui en fait l'un des systèmes les plus prometteurs jamais développés20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30,31. Cependant, la batterie Li-S est généralement considérée comme une batterie secondaire, alors que son grand potentiel en tant que batterie primaire a été dans une certaine mesure ignoré. En fait, la stabilité au cyclage des batteries Li-S n’est pas encore satisfaisante par rapport aux batteries Li-ions commerciales, mais leur capacité spécifique de décharge initiale est très élevée, atteignant même la valeur théorique32,33, ce qui la rend adaptée à une application primaire. D’autre part, davantage d’expériences théoriques et pratiques pourraient également être accumulées pour les batteries secondaires Li-S lors du développement des batteries primaires. Parallèlement, la nature rechargeable du système Li-S pourrait le rendre plus compétitif que les batteries primaires précédemment signalées34. Actuellement, l’une des tâches les plus difficiles pour le développement d’une batterie primaire Li-S consiste à augmenter encore sa densité énergétique pratique, pour rivaliser avec d’autres systèmes de batteries commerciaux.

Pour atteindre cet objectif, il est essentiel de concevoir des cathodes à soufre à haute teneur en soufre et à forte charge en soufre (« deux hautes »35), selon la désignation pratique des batteries36. Cependant, augmenter l’utilisation du soufre (ou de la matière active) est un problème difficile, en raison de l’augmentation de la résistance ohmique ou de la polarisation par transfert de charge37. Compte tenu de cela, la structure poreuse de l'ensemble des cathodes (autres que les seuls matériaux C/S) devrait être encore optimisée, afin d'améliorer le transport des ions Li, la distribution du soufre et l'état d'hébergement26,38,39,40. Cependant, en raison de la nature isolante des particules de soufre, une grande quantité de matériaux conducteurs électroniques (par exemple du carbone) doit être ajoutée dans les cathodes23. Par conséquent, bien que de grands efforts aient été déployés pour développer une composition C/S haute performance, les « deux cathodes élevées » étaient encore rarement rapportées. Bien que les cathodes à base d'éponges de graphène S36 et de papier CNT-S41 puissent supporter une charge de soufre allant jusqu'à 10 et 6 mg cm−2 séparément, des innovations techniques supplémentaires sont encore nécessaires pour les assembler en types d'enroulement ou de stratification sur la base de considérations commerciales.