Le sulfures à la rescousse de la redox anionique
Le phénomène de redox anionique continue de mobiliser les équipes de recherche du RS2E. L’enjeu est de taille : Une bonne maîtrise de ce phénomène ouvrirait théoriquement la voie vers des batteries Li-ion aux densités d’énergie plus élevées. Leur autonomie pourrait ainsi croître de 20%.
Le prix Nobel de Chimie 2019 accordé à J. B. Goodenough, M. S. Whittingham et A. Yoshino pour la découverte et le développement des batteries Li-ion rappelle d’ailleurs à quel point le stockage de l’énergie est devenu un enjeu majeur pour la mobilité et la lutte contre le changement climatique.
Si les efforts pour développer des batteries plus performantes grâce à la redox anionique se multiplient, les scientifiques se heurtent encore à plusieurs blocages. Les batteries développées sur ce principe montrent des chutes non-négligeables de tension, une hystérésis de tension importante (càd qu’une partie de l’énergie du système est perdue par dissipation de chaleur) et une cinétique lente.
Pour comprendre l’origine de ces limitations et tenter de les contourner, une équipe internationale emmenée par le Prof. Jean-Marie Tarascon a eu l’idée de remplacer les cathodes d’oxydes riches en Li par leur équivalent à base de sulfures. Les résultats de leurs travaux ont été publiés dans la revue Nature Energy.
Une meilleure stabilité via les sulfures
Le choix d’utiliser des sulfures à la place des oxydes fait sens. Des études précédentes ont montré que les sulfures lamellaires en tant qu’électrodes sont capables d’insérer et de désinsérer les ions Li, ce qui est essentiel au fonctionnement d’une batterie. De plus, les sulfures ont tendance à être des structures stables qui seraient plus à même de s’adapter aux variations indues par l’oxydation ou la réduction des éléments S.
L’équipe, conduit par le Prof. Tarascon, a utilisé un large éventail de techniques de caractérisation pour étudier le comportement électrochimique comme cathode de sulfures lamellaires de type Li1.33–2y/3Ti0.67–y/3FeyS2.
Figure 1 : Comportement électrochimique de Li1,33-2y/3Ti0.67-y/3FeyS2 et structure
En trouvant le bon équilibre de proportions entre Ti et Fe, les chercheurs montrent que la redox anionique peut s’appliquer aux électrodes sulfurées sans les inconvénients présentés par les oxydes lamellaires « classiques ».
Malheureusement, la stabilité obtenue a un prix. Les batteries utilisant des sulfures possèdent une densité d’énergie (donc une autonomie) moindre et une tension de sortie faible. Pour le moment, ces systèmes ne peuvent pas rivaliser économiquement avec les batteries Li-ion déjà sur le marché.
Ces travaux ouvrent pourtant la voie à une nouvelle stratégie pour le développement des matériaux d’électrodes. Ils montrent que l’utilisation d’oxy-sulfures pourrait être la solution pour exploiter le phénomène de redox anionique à son maximum.
Références :
Exploring the Bottlenecks of Anionic Redox in Li-rich Layered Sulfides
Sujoy Saha et al.
Nature Energy, 14/11/19, DOI : 10.1038/s41560-019-0493-0
Contact : Jean-Marie Tarascon, jean-marie.tarascon@college-de-france.fr