Des batteries lithium-soufre de poche examinées au BESSY II

Une équipe du HZB et de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux (IWS) de Dresde a acquis de nouvelles connaissances sur les cellules à poche lithium-soufre de la BAMline de BESSY II. Complété par des analyses dans le laboratoire d'imagerie HZB et d'autres mesures, une image nouvelle et éclairante émerge des processus qui limitent les performances et la durée de vie de ce type de batterie pertinent sur le plan industriel. L'étude est publiée dans la célèbre revue « Advanced Energy Materials ».

Les batteries lithium-soufre présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries lithium classiques : elles utilisent le soufre comme matière première abondante, ne nécessitent pas l’élément critique cobalt ou nickel et peuvent atteindre une densité énergétique spécifique extrêmement élevée. Les prototypes de cellules atteignent déjà aujourd’hui jusqu’à 500 Wh/kg, soit presque deux fois plus que les batteries lithium-ion actuelles.

Cependant, les batteries lithium-soufre sont actuellement beaucoup plus sensibles aux processus de dégradation : lors de la charge et de la décharge, des polysulfures dissous et des phases soufrées se forment sur l'électrode au lithium, ce qui réduit de plus en plus les performances et la durée de vie de la batterie. « Nous souhaitons clarifier ces processus grâce à nos recherches dans le but d'améliorer spécifiquement ce type de batterie », explique le Dr. Sebastian Risse, qui dirige une équipe au HZB pour l'analyse opératoire des batteries.

Il se concentre sur les cellules dites « pocket », un format de batterie largement utilisé dans l’industrie. À l'Institut « Stockage d'énergie électrochimique (CE-IEES) » de l'HZB, dirigé par le professeur Yan Lu, un laboratoire a été créé, spécialisé dans la production de batteries lithium-soufre dans ce « format de poche ». Ici, une grande variété de batteries lithium-soufre de poche peuvent être fabriquées et testées. Dans le cadre du projet BMBF « SkaLiS », coordonné par Risse, l'équipe de Risse, en collaboration avec un groupe de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux (IWS) de Dresde, a maintenant publié une étude approfondie sur les cellules à poche lithium-soufre dans la revue Advanced Energy Materials .

À cette fin, des cellules de batterie ont été étudiées dans une configuration développée au HZB en utilisant différentes méthodes telles que la spectroscopie d'impédance, la distribution de température, la mesure de force et l'imagerie à rayons X (source synchrotron et laboratoire) pendant la charge ou la décharge. « Pour la première fois, nous avons pu observer et documenter à la fois la formation de dendrites de lithium et la dissolution ou la formation de cristallites de soufre pendant le fonctionnement d'une batterie multicouche », explique le Dr. Rafael Müller, chimiste du HZB et auteur principal de l'étude.

« En particulier, la radiographie en contraste de phase avec lumière synchrotron cohérente sur la ligne de faisceau BAM de BESSY II nous a permis de suivre la morphologie du lithium métallique faiblement absorbant. « Nous avons pu corréler ces informations avec d’autres données de mesure pour créer une image complète. » En utilisant des analyses aux rayons X dans le laboratoire d'imagerie du HZB en coopération avec le groupe du Dr. Ingo Manke a également réussi à analyser la formation de cristaux de soufre hautement absorbants pendant le fonctionnement de la batterie.

« Nos résultats jettent un pont entre la recherche fondamentale et le transfert de technologie, ils permettent notamment de tirer des conclusions sur l'évolutivité de cette technologie de batterie et sur le développement ultérieur de systèmes de batteries à haute énergie », explique Risse. L'équipe a notamment montré qu'une nouvelle approche de conception de l'IWS Dresden est prometteuse : le collecteur de courant cathodique perforé et donc nettement plus léger n'affecte pas les performances de la cellule.

Les résultats de cette étude contribueront à optimiser les performances et la durée de vie des batteries lithium-soufre afin que ce type de batterie prometteur puisse répondre aux exigences des systèmes de stockage d’énergie mobiles et stationnaires.