Le lithium-soufre est déjà en développement sur plusieurs continents et devrait atteindre une production de masse d'ici 2033. IDTechEx prévoit que, d'ici 2035, le marché du lithium-soufre dépassera 1,3 milliard de dollars américains.
Modes de dégradation :
Les batteries lithium-soufre ont fait l’objet de nombreux développements par le passé. Cependant, leur chimie est limitée par un mécanisme de dégradation intrinsèque : le phénomène de navette des polysulfures. Des polysulfures de la forme Li₂Sₓ sont produits à la cathode et transportés vers l’électrolyte, provoquant la lixiviation des matériaux actifs. Ces polysulfures peuvent également atteindre l’anode et initier leurs propres réactions d’oxydoréduction, réduisant ainsi le potentiel redox effectif de la cellule. Ils peuvent aussi former une couche de Li₂S insoluble à l’anode, empêchant le transport des ions. L’effet global de ce phénomène de navette des polysulfures est de réduire considérablement l’efficacité coulombique de la cellule, ce qui impacte fortement sa durée de vie.
La formation de dendrites de lithium métallique constitue également un problème, bien qu'elle soit généralement moins importante que la dégradation par effet navette des polysulfures. Ces dendrites se forment à l'anode et se dissolvent dans l'électrolyte, réagissant de manière irréversible et réduisant la quantité de matériau actif de la cellule. De plus, lors des cycles de charge et de décharge, la cathode de soufre subit un gonflement important, pouvant atteindre 80 % lors de la décharge. Ceci engendre des contraintes considérables sur la structure de la cathode et peut réduire la conductivité globale des contacts de la cellule en raison de la formation et de la nucléation de fissures.
Solutions à la dégradation
Le transport des polysulfures peut être contré de plusieurs manières. L'approche la plus évidente consiste à utiliser un électrolyte solide, car celui-ci empêche le transport des polysulfures. Cependant, cela peut entraîner une réduction significative de la conductivité à l'interface entre l'électrolyte et la cathode, le soufre étant un mauvais conducteur. Les électrolytes liquides alternatifs constituent une option plus intéressante. Les polysulfures sont solubles dans les électrolytes liquides utilisés dans les batteries lithium-ion à anodes en graphite. En revanche, ils sont insolubles dans d'autres solutions, telles que les éthers cycliques, les éthers à chaîne courte et les éthers de glycol.
Une couche ou membrane séparatrice peut également être utilisée pour empêcher le transport des polysulfures. La membrane choisie doit être sélective, laissant passer les ions lithium mais pas les polysulfures. Ceci peut être réalisé de trois manières :
Répulsion des charges : en exploitant la charge négative des polysulfures et la charge positive des ions lithium.
Blindage : en bloquant physiquement le contact direct des ions avec les matériaux actifs, empêchant ainsi la lixiviation des polysulfures (par exemple, à l’aide de nanotubes de carbone). Les polysulfures étant beaucoup plus gros que les ions lithium, ils peuvent être bloqués sélectivement.
Adsorption : en piégeant les polysulfures à la cathode à l’aide de matériaux qui les attirent. Les micropores peuvent être utilisés pour cette méthode.
La dilatation de la cathode peut être gérée en utilisant des structures de cathode alternatives, telles que des réseaux tolérants à la dilatation ou des liants plus résistants. Des matériaux alternatifs peuvent permettre le développement de structures monomatériaux sans liants, améliorant considérablement la rigidité du collecteur de courant. Le polyacrylonitrile sulfuré (SPAN) en est un exemple.
Points clés
Les batteries lithium-soufre ont suscité l'intérêt de grands acteurs, notamment LG Chem, qui est resté silencieux depuis. Aujourd'hui, le secteur est dominé par des start-ups prêtes à commercialiser leurs produits. Voici quelques exemples :
Lyten, initialement spécialisée dans le développement de matériaux à base de graphène 3D, s'est depuis concentrée sur leur utilisation pour les batteries lithium-soufre. Le graphène 3D sert de substrat à la cathode de soufre, ce qui permet une conductivité accrue et réduit l'effet navette des polysulfures. L'entreprise ambitionne de commercialiser cette technologie pour les applications aérospatiales et navales d'ici fin 2025 et prévoit déjà la construction d'une gigafactory. theion
est une start-up allemande qui développe des cathodes de soufre formées à partir d'une plaquette de soufre pur. Ces plaquettes sont directement issues de soufre fondu. La technologie est encore en développement, mais l'entreprise exploite une plateforme d'IA pour les tests de batteries afin de réduire considérablement les délais de commercialisation.
Li-S Energy est une entreprise australienne spécialisée dans le lithium-soufre. Elle utilise des nanotubes de nitrure de bore (BNNT) pour former la structure de la cathode. Cela améliore la résistance et la conductivité. Li-S a récemment achevé la construction d'une usine de production de piles à sac d'une capacité de 2 MWh.
Grâce à sa haute énergie spécifique, mais à sa faible densité énergétique, le lithium-soufre est particulièrement adapté aux applications aéronautiques, de défense et maritimes, notamment pour les drones. Cette technologie devrait également être utilisée dans les véhicules électriques, en particulier les véhicules électriques lourds. IDTechEx prévoit une production mondiale de plus de 14 GWh d'ici 2035.
Auteur : Daniel Parr, analyste technologique chez IDTechEx
