C’est une avancée scientifique qui pourrait accélérer le développement des batteries au soufre, considérées comme une piste prometteuse pour l’ère du « post-lithium-ion ». Publiée dans le journal allemand Angewandte Chemie le 27 novembre dernier, une étude chinoise présente un nouvel électrolyte pour batteries aqueuses au zinc-soufre. Deux additifs composent notamment cet électrolyte : de l’iodure de zinc (ZnI2) et du propylène glycol méthyl ether (PGME – C4H10O2). L’ajout de ces deux molécules répondrait, d’après le communiqué de presse associé à la publication scientifique, aux trois grandes problématiques liées aux cellules composant les batteries zinc-soufre et freinant aujourd’hui leur développement à l’échelle commerciale : leur faible conductivité, le développement propice de dendrites et la rapide corrosion de l’anode au zinc.
Stabilité, densité énergétique et faible coût
Les batteries aqueuses zinc-soufre présentent plusieurs avantages. D’une part, la stabilité et la densité énergétique théoriques des cellules de ces batteries sont très élevées. D’autre part, leur coût serait moindre, du fait de la composition des deux électrodes (du zinc métallique à l’anode et du soufre pur à la cathode) et de l’abondance naturelle des deux éléments sur Terre.
Seulement voilà : de nombreux obstacles se dressent encore sur la route vers la commercialisation de batteries zinc-soufre. Lors de la décharge de la cellule, la réaction électrochimique entre le zinc et le soufre conduit à la formation de sulfure de zinc (ZnS) dans l’électrolyte aqueuse et à la dégradation de la cathode de soufre. À l’anode, la corrosion du zinc et la précipitation d’hydrogène provenant de l’électrolyte entraînent la formation de dendrites, des excroissances risquant de mener à une défaillance de la batterie. Les chercheurs chinois ont montré que l’ajout de PGME comme co-solvant et de ZnI2 comme additif à l’électrolyte améliorait grandement les performances des cellules zinc-soufre.
Les chercheurs l’expliquent par une interaction synergétique entre le PGME et le ZnI2, participant à l’optimisation générale de la qualité de l’électrolyte. En premier lieu, le co-solvant participe à la formation de complexes [Zn(H2O)xPGME]2+ (x=1-5), améliorant la cinétique de transport d’électrons. Les atomes d’iode de l’additif agissent alors comme des donneurs d’électrons, augmentant la cinétique électrochimique à la cathode.
De 3% à 84% de la capacité de stockage théorique
Les résultats de l’étude chinoise sont sans appel : sans la molécule de ZnI2, la capacité spécifique d’une cellule de batterie zinc-soufre n’est que de 43,4 mAh/g (avec un courant de 0,2 A/g), soit environ 3 % de sa capacité théorique (1672 mAh/g). Avec l’électrolyte confectionnée par les chercheurs, cette capacité grimpe jusqu’à 1410 mAh/g, soit environ 84 % de sa capacité théorique. La stabilité de la cellule a également été testée : sans l’électrolyte de l’équipe chinoise, la cellule zinc-soufre faillit après 700 heures de cycles charge-décharge tandis qu’une cellule équipée de l’électrolyte des chercheurs résiste au test durant 1650 heures.
« Nous obtenons une batterie compacte et à haute densité, capable de se recharger plus de fois sans dégradation signifiante », avance dans un communiqué Guiyin Xu, co-auteur de la publication. En théorie, les auteurs de la publication espèrent qu’une fois assemblée, leur batterie zinc-soufre pourrait fournir une densité énergétique de 471,8 Wh/Kg, soit environ deux fois celle d’une batterie lithium-ion.
