Le lithium-soufre va-t-il détrôner le roi li-ion pour alimenter nos téléphones ? Rien n’est moins sûr. Certes, le 3 janvier dernier, des chercheurs de l’université de Monash (Australie) ont franchi une étape en présentant dans la revue Science Advances une solution de formulation assurant la stabilité de la cathode au soufre de ce nouveau type de batteries. Mais de nombreux problèmes subsistent et devront encore être surmontés avant de pouvoir équiper nos appareils électroniques de ces batteries dont la puissance promet de permettre, enfin, d’oublier nos chargeurs sans angoisse.
Entre deux et six fois plus puissantes
Moins chères, moins polluantes que leur homologue dite “lithium-ion” (les batteries les plus performantes du marché, qui équipent aujourd’hui la majorité de nos téléphones et nécessitent de nombreux métaux rares) et surtout capables d’une grande densité énergétique. Cela fait des années que les accumulateurs au lithium-soufre charrient les promesses et sont présentés comme l’une des technologies les plus prometteuses pour le futur des batteries.
“Sur le papier, les systèmes lithium-soufre permettent d’atteindre une énergie spécifique jusqu’à six fois plus importante que le lithium-ion, pour un coût bien plus bas”, détaille l’auteur principal de l’étude, Mahdokht Shaibani, auprès de L’Usine Nouvelle. Des performances théoriques loin d’être atteintes pour l’instant. “En pratique, en prenant en compte notre percée et le travail d’autres institutions de recherche, on attend un doublement de la capacité au niveau de la batterie lors de son introduction sur le marché”, reconnaît le scientifique, qui cite à titre d'exemple les cellules lithium-soufre développées par la start-up britannique Oxis Energy.
Une cathode poreuse qui résiste aux contraintes mécaniques
Mais pour l’instant, ces batteries voient leurs performances décliner rapidement et souffrent d'une faible durée de vie. En cause : la réaction électro-chimique complexe à la base du mécanisme de charge et de décharge, qui provoque l’expansion du volume de la cathode (composée de majeure partie de soufre, mais aussi de carbone conductif et de polymères), entraînant d’importantes contraintes mécaniques.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques australiens ont utilisé un procédé de formulation inspiré de la fabrication des détergents en poudre dans les années 1970 capable de créer des liens polymériques solides au sein de la microstructure de la cathode. Grâce à cette structure poreuse rendant la cathode capable de "respirer", la batterie peut désormais "atteindre une cyclabilité de plusieurs centaines de charges”, avance Mahdokht Shaibani.
En 2019, d’autres équipes scientifiques ont elles aussi présenté des solutions potentielles à ce problème de dégradation de la cathode de soufre. Que ce soit en utilisant une microstructure carbone préexistante comme l’a proposé une équipe de chercheurs de l’agence pour la science, la technologie et la recherche de Singapour (A*Star) en octobre 2019, ou en couplant le soufre avec une phase de Chevrel au sein de la cathode, à l'image d'une solution proposée par des chercheurs du MIT en mai dernier.
De nombreux problèmes restent à résoudre
Une fois les tests en laboratoire effectués et réussis, les chercheurs australiens ont déposé un brevet et comptent dorénavant passer au stade de l’application pour tester leurs batteries dans des voitures et des réseaux électriques. Ils sont aidés pour cela d’un financement de 2,5 millions de dollars de la part du gouvernement et de partenaires industriels.
Est-ce à dire que nous sommes proches de la généralisation des batteries à base de soufre ? Peut-être pas, souffle Mathieu Morcrette, directeur du Laboratoire de réactivité et chimie des solides (LRCS) à l’Université d’Amiens et spécialiste des batteries Li/S, qui ne comprend pas l'utilisation de l'adjectif "révolutionnaire" pour désigner l'article scientifique publié dans Science Advances.
“Il n’est marqué nulle part dans l’article que tous les problèmes ont été résolus et de nombreux verrous subsistent”, explique le scientifique, “l’utilisation de lithium-métal dans l’anode peut former des dendrites entraînant des court-circuits dangereux, et la dissolution du soufre dans l’électrolyte génère des polysulfures qui font de l’autodécharge”.
Autre limite : alors que l’utilisation de soufre permet d’alléger les accumulateurs, elle peut par contre les rendre plus volumineux. Si là encore, des améliorations technologiques peuvent survenir, l'encombrement supplémentaire généré par l'utilisation de soufre le destine pour l'instant à des secteurs industriels spécifiques qui, comme l'aéronautique et le spatial, sont d'abord intéressés par des questions de poids et d'énergie pour faire voler les drones et les avions du futur.
