Batteries : le nouveau souffle du lithium-soufre

Avec une petite ligne de production et des packs opérationnels qui ont fait voler un drone solaire, Oxis Energy était la plus avancée sur la technologie de batterie lithium-soufre (Li-S). Pourtant, en 2021, la société britannique met la clé sous la porte, frappée par des difficultés financières. « Ils étaient moteurs et cela a refroidi tout le monde », glisse Julien Bernard, le chef de projet batteries pour le Centre de résultats transport à l’IFP Énergies nouvelles.

« Cela n’a pas été un très bon signal, admet Sylwia Walus, ancienne d’Oxis Energy et chef de projets de recherche à la Faraday Institution, un organisme britannique qui finance de la recherche sur les batteries. Après un âge d’or du Li-S au milieu des années 2010, le vent a tourné vers 2019-2020, quand l’attention s’est portée sur d’autres technologies, en particulier le tout-solide, et qu’il devenait de plus en plus difficile d’attirer les investisseurs. »

Cependant, selon Sébastien Liatard, également passé par Oxis Energy et aujourd’hui ingénieur chercheur au CEA-Liten, le Li-S n’est pas mort. « Je dirais même qu’il attire à nouveau l’attention et bénéficie d’une seconde chance », abonde Sylwia Walus. Theion, Nextech, Hiperssys, Lyten… Plusieurs start-up ont repris le flambeau. Mais pas uniquement. « C’est une technologie que nous regardons de près », assure Anthony Bonnet, le directeur scientifique chargé des matériaux pour l’énergie chez Arkema.

Au Centre de recherche Rhône-Alpes du groupe, au sud de Lyon, un laboratoire en cours de conversion sera bientôt dédié au Li-S. Pourquoi ce regain d’intérêt ? « Cela s’inscrit dans la dynamique générale autour des batteries emmenée par la transition vers le véhicule électrique, analyse Sébastien Liatard. Les technologies alternatives en bénéficient, et le Li-S en est une qui est plausible et qui a déjà de bonnes bases. »

Importante densité d’énergie massique

L’attrait principal du lithium-soufre réside dans la densité d’énergie massique. Il a été montré qu’une cellule peut atteindre 400 wattheures par kilogramme (Wh/kg), contre 250 à 300 Wh/kg pour une cellule Li-ion commerciale. « En l’optimisant, elle pourrait même monter à 500 Wh/kg », estime Sébastien Liatard. La performance vient de la capacité de stockage du soufre : 1 672 milliampères-heure par gramme (mAh/g). « C’est presque dix fois la capacité des matériaux utilisés aujourd’hui commercialement », pointe l’ingénieur chercheur. Autre avantage, le soufre est bien plus abondant et moins cher que le nickel et le cobalt utilisés dans les batteries lithium-ion actuelles. Il est en outre très facile à extraire.

Si le lithium-soufre peine à faire valoir ces atouts, c’est à cause de sa faible cyclabilité. Utilisée à son plein potentiel en termes de densité d’énergie, une cellule Li-S est limitée à une centaine de cycles. « Il est possible de dépasser 1 000 cycles, mais avec des densités d’énergie plus basses, de l’ordre de 150 Wh/kg », précise Sébastien Liatard. Cette faible durée de vie est due à la tendance du soufre à se dissoudre dans l’électrolyte. Lors de sa réaction avec les ions lithium au niveau de l’électrode positive se forment des polysulfures dont certains sont solubles. Ceux-ci se diffusent dans l’électrolyte, peuvent réagir avec l’électrode négative et devenir indisponibles pour les réactions électrochimiques assurant la charge et la décharge de la batterie.

Le principal défi est donc d’empêcher, ou de freiner, cette dissolution. « C’est l’objet de la majorité des travaux », assure Julien Bernard. « C’est devenu la clé », confirme Sylwia Walus. Un mélange de solutions existe. Il peut s’agir de bloquer les polysulfures au niveau de l’électrode positive, soit grâce à des espèces qui les absorbent, soit avec des structures carbonées qui les confinent. Des barrières qui créent une forme de répulsion électrostatique peuvent être ajoutées au niveau de l’électrolyte. Enfin, l’électrode négative peut être passivée pour qu’elle ne réagisse pas avec les polysulfures en solution.

Moins de dendrites avec le Li-S

Parmi les autres difficultés : la formation des polysulfures entraîne un gonflement de l’électrode positive, et le soufre est très peu conducteur. Il faut donc intégrer du carbone, doué d’une bonne conductivité, souvent sous forme de nanotubes. Enfin, comme l’électrode positive à base de soufre ne contient pas de lithium, celui-ci doit être amené par l’électrode négative. « Le lithium métallique est le matériau de choix pour atteindre de hautes densités d’énergie », indique Sébastien Liatard.

S’il a tendance à former des dendrites et à causer des risques de court-circuit dans les batteries Li-ion à électrolyte liquide, c’est moins le cas avec le Li-S. « Avec le soufre dans l’électrolyte, le lithium qui se redépose au niveau de l’électrode négative se comporte différemment et ne forme pas forcément des structures pointues », poursuit l’ingénieur chercheur. D’où la possibilité d’utiliser un électrolyte liquide malgré le lithium métallique. « Cela reste cependant compliqué du fait de la solubilité très importante des polysulfures », souligne Anthony Bonnet. Raison pour laquelle beaucoup de start-up travaillent sur des solutions à électrolyte solide.

Personne ne semble considérer les challenges du lithium-soufre comme insurmontables. Toutefois, il est difficile de prédire quand il arrivera sur le marché. Comme toutes les batteries de cinquième génération, la commercialisation n’est, de manière générale, pas envisagée avant 2030. Même si des start-up affichent des objectifs plus ambitieux. « Je pense que le Li-S trouvera certains marchés de niche avant la fin de cette décennie », estime Sylwia Walus. Les applications souvent évoquées sont l’aérospatial et les drones. De quoi peut-être lui permettre de décoller ensuite.