Piles lithium-soufre à faible électrolyte : zones problématiques identifiées
Grâce à une méthode non destructive, une équipe du HZB a examiné pour la première fois des batteries lithium-soufre au format pratique de cellule de poche, qui se contentent d'une quantité particulièrement faible d'électrolyte liquide. Grâce à la tomographie neutronique opérationnelle, ils ont pu visualiser en temps réel la manière dont l'électrolyte liquide se répartit sur plusieurs couches et mouille les électrodes pendant la charge et la décharge. Ces connaissances fournissent un aperçu précieux des mécanismes qui peuvent conduire à la défaillance de la batterie et sont utiles pour le développement de batteries Li-S compactes à haute densité énergétique.
Les batteries lithium-soufre (batteries Li-S) sont considérées comme l'une des technologies de batteries les plus intéressantes de la prochaine génération. Les batteries Li-S peuvent atteindre des densités énergétiques gravimétriques extrêmement élevées (par exemple plus de 700 Wh/kg contre environ 250 Wh/kg pour les batteries Li-ion les plus modernes actuellement), ce qui les rend particulièrement attrayantes pour les applications dans l'aérospatiale, les robots et les véhicules électriques à grande autonomie. De plus, l'élément soufre, disponible en abondance, offre une alternative convaincante aux métaux critiques et géopolitiquement sensibles tels que le cobalt et le nickel, utilisés dans les batteries Li-ion.
La densité énergétique pratique est toutefois limitée par le poids élevé des matériaux inactifs tels que l'électrolyte. Pour augmenter la densité énergétique des batteries lithium-soufre au niveau des cellules, il faut donc réduire la quantité d'électrolyte. Cependant, moins il y a d'électrolyte dans la cellule de la batterie, plus il est difficile de mouiller complètement les électrodes. Or, un mouillage incomplet perturbe les processus électrochimiques et entraîne un vieillissement plus rapide, voire une défaillance de la batterie. "La manière dont l'électrolyte mouille les électrodes, pénètre dans leurs pores et se répartit dans les cellules Li-S est déterminante. Or, en raison de la conception fermée des batteries, il est extrêmement difficile d'observer cela de manière non destructive", explique le professeur Yan Lu, chimiste au HZB, qui a dirigé l'étude.
Pour observer le mouillage dynamique des batteries pendant la charge et la décharge dans les systèmes de batteries Li-S, l'équipe de Yan Lu a eu recours à une méthode non destructive, la tomographie à neutrons. Pour ce faire, l'équipe a d'abord fabriqué des cellules Li-S-Pouch multicouches avec un électrolyte réduit en respectant des paramètres pertinents pour l'industrie. Le Dr Ingo Manke et le Dr Nikolay Kardjilov du groupe d'imagerie du HZB ont ensuite examiné ces échantillons avec des neutrons à l'Institut Laue-Langevin de Grenoble, afin de localiser avec la plus grande précision des éléments légers comme le lithium et l'hydrogène.
"Nous avons ainsi pu observer pour la première fois en temps réel le comportement de l'électrolyte liquide et la manière dont le mouillage dans les différentes couches d'une cellule Pouch évolue localement au fil du temps. Nous en avons tiré quelques enseignements intéressants", explique Yan Lu.
Pendant la phase de repos de la batterie à vide, des zones non mouillées se sont accumulées, notamment au début, dans des zones locales. La phase de repos améliore dans un premier temps le mouillage, mais une longue phase de repos n'a plus qu'une influence minime sur le mouillage global.
Les processus de décharge/charge améliorent considérablement l'homogénéité de l'électrolyte et favorisent ainsi l'activation électrochimique du soufre, ce qui augmente la capacité des batteries. L'équipe a observé pour la première fois des processus périodiques lors du mouillage de l'électrolyte, qui sont en corrélation avec la dissolution et la précipitation des composés soufrés. "Le comportement de mouillage dynamique de l'électrolyte est très différent de celui des batteries Li-ion traditionnelles en raison de la chimie particulière des systèmes Li-S", explique le Dr Liqiang Lu, post-doctorant dans l'équipe de Yan Lu et premier auteur de la publication.
"C'est une contribution importante à la compréhension des mécanismes qui conduisent au vieillissement rapide et à la défaillance de tels systèmes. Ces connaissances contribueront à augmenter la densité énergétique des batteries Li-S tout en préservant leur durée de vie", conclut Yan Lu.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Liqiang Lu, Nikolay Kardjilov, Xiangqi Meng, Kang Dong, Yaolin Xu, Qingping Wu, Alessandro Tengattini, Lukas Helfen, Jin Yang, Yan Guo, Moritz Exner, Ingo Manke, Yan Lu; "Visualising the dynamic wetting and redistribution of electrolyte in lean-electrolyte lithium-sulphur pouch cells via operando neutron imaging"; Advanced Energy Materials (2025).
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