Les futures batteries
Le projet ALEPH
Le programme ALEPH vise à développer une batterie au lithium métal fonctionnant à 40°C, donc la nouvelle générations des batteries LMP fonctionnant à environ 70°C actuellement. Pour cela plusieurs innovations seront combinées : incorporation de solvant organique dans l'électrolyte, traitement de surface du lithium etc... Le démonstrateur du Projet sera une batterie de plusieurs dizaines d'ampère heure de taille équivalente à celles intégrant le pack du véhicule électrique de marque Bluecar.
Les batteries Li-S
Principe des batteries lithium-soufre (Extraits de la thèse de Margaud Lécuyer, soutenue en 2014 à l’IMN) :
L’intérêt porté aux accumulateurs lithium-soufre n’est pas récent et date ainsi des années 1960. Alors que des recherches les concernant ont été entamées dès les années 1950, elles ont peu avancé jusqu’aux années 2000, en raisons des difficultés importantes d’en améliorer la cyclabilité mais aussi d’utiliser une électrode de lithium métallique en combinaison d’électrolytes liquides organiques. Cependant, aujourd’hui, de gros efforts sont consentis de la part de nombreux groupes pour les mettre au point, du fait du besoin accru de batteries de hautes densités d’énergie.
La technologie lithium/soufre est potentiellement très prometteuse puisqu’elle permet d’espérer atteindre des densités d’énergie d’au moins 400 Wh/kg et 500 Wh/L. De plus, l’attractivité du soufre réside également dans le fait qu’il s’agit d’un matériau bon-marché comparativement aux matériaux d’insertion classiquement utilisés à l’heure actuelle. Par ailleurs, il est très abondant sur Terre, puisqu’on le trouve facilement à l’état natif dans les régions volcaniques, mais également sous d’autres formes telles que les sulfures ou les sulfates dans certains minerais (galène, gypse…). Il est également un sous-produit de l’industrie pétrolière, de laquelle il est extrait en grandes quantités.
La composition d’un accumulateur Li/S est détaillée dans la figure suivante :
Composition d’un accumulateur Li/S
L’électrode négative d’une cellule Li/S est composée d’un feuillard de lithium ; l’électrode positive est une électrode composite classiquement constituée d’un mélange de soufre (sous sa forme orthorhombique S8), de noir de carbone assurant la conductivité électronique de l’électrode, de liant polymère assurant la tenue de celle-ci, et éventuellement d’électrolyte venant en remplir la porosité et assurant la conductivité ionique ; cette électrode est déposée sur un collecteur de courant métallique, souvent constitué d’un feuillard d’aluminium revêtu d’une fine couche protectrice (coating) de carbone (afin d’en éviter la corrosion). Entre les deux électrodes composant la cellule, est introduit de l’électrolyte : celui-ci peut-être soit solide (gélifié, polymère ou céramique) soit liquide et imprègne alors un séparateur.
Un accumulateur Li/S est assemblé à l’état chargé. Lors de la décharge, le soufre présent initialement sous forme d’octamères S8 est réduit sous forme de polysulfures de formules Li2Sn avec 1≤n≤8 . Ces polysulfures sont solubles dans la plupart des solvants organiques mais aussi dans les polymères de type POE et diffusent donc à travers l’électrolyte. Leur solubilité est en outre d’autant plus élevée que leurs chaînes sont longues, et elle diminue par conséquent à mesure que la réduction se poursuit. En fin de décharge, le disulfure de lithium Li2S2 puis le sulfure de lithium Li2S, insolubles, précipitent à la surface de l’électrode positive. Ainsi, l’équation de la réduction complète du soufre par le lithium est la suivante : 16 Li + S8 -> 8 Li2S
En charge, le processus inverse a lieu : le sulfure de lithium est oxydé en polysulfures à chaînes de plus en plus longues qui se dissolvent et diffusent dans l’électrolyte avant de précipiter sous forme de soufre S8 en fin de charge.
La réduction complète du soufre en Li2S correspond donc à l’échange de deux électrons par atome de soufre. La capacité associée est donc égale à :
où n correspond au nombre d’électrons échangés (deux par atome de soufre), F est la constante de Faraday (correspondant à la charge globale d’une mole de charges élémentaires), et MS est la masse molaire du soufre. En estimant la tension moyenne d’un accumulateur Li/S comme étant égale à 2,1 V, cela correspond à des densités d’énergie de 2450 Wh/kg(Li2S) et de 4070 Wh/L(Li2S). Le mécanisme réactionnel de charge/décharge d’un accumulateur Li/S est original puisqu’il consiste en un passage par un état soluble de la matière active dans l’électrolyte, contrairement aux mécanismes classiques régulièrement rencontrés. Le mécanisme réactionnel exact n’est à ce jour pas complètement connu, et des désaccords demeurent : par exemple, le passage par l’espèce Li2S2 est assez controversé et ne semble jamais avoir été réellement prouvé ; le passage par différentes espèces intermédiaires et radicaux est en outre régulièrement rapporté, bien que l’identité exacte de ceux-ci soit sujette à controverse.
Pour en savoir plus, voir la page de l'équipe ST2E