L'autonomie des voitures électriques, toujours trop faible, motive de gros efforts de recherches sur les batteries. L'une des voies explorées est celle du couple lithium-soufre. Cette Renault Zoé, capable de parcourir 210 km, pourra sans doute aller beaucoup plus loin si des études comme celle de l'université de Waterloo aboutissent. © Renault

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Des batteries lithium-soufre, une solution pour la voiture électrique ?

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L'un des principaux freins au développement du marché des voitures électriques est leur manque d'autonomie. Des chimistes canadiens viennent de faire une découverte qui pourrait mener à la conception de batteries moins chères et plus légères, mais surtout plus puissantes et plus efficaces.

Dans un article paru dans les colonnes de Nature Communications en ce début d'année, une équipe de la faculté des sciences de l'université de Waterloo (Canada) présente une percée majeure dans le domaine de la technologie des batteries lithium-soufre. Les chimistes canadiens sont parvenus, grâce à des nanofeuilles de dioxyde de manganèse (MnO2), à maintenir la « rechargeabilité » de la cathode de soufre.

Depuis quelque temps déjà, les chercheurs s'intéressaient à la technologie lithium-soufre. Parce que le soufre est extrêmement abondant, relativement léger et très bon marché. Parce que les batteries lithium-soufre présenteraient une meilleure tenue aux basses températures et seraient moins toxiques que les batteries lithium-ion. Mais aussi, et peut-être surtout, parce que cette technologie a potentiellement la capacité de multiplier par trois (ou même par cinq, selon les estimations) l'autonomie des voitures électriques. Comment ? Grâce à une densité énergétique maximale pouvant aller jusqu'à 2.600 Wh/kg, contre seulement 160 Wh/kg pour une batterie lithium-ion. En 2009, l'équipe de l'université de Waterloo avait été la première à démontrer la faisabilité de telles batteries grâce à l'apport de nanomatériaux.

L'anode d'une batterie lithium-soufre est composée d'un feuillet de lithium métallique et sa cathode, de soufre. Sa densité énergétique plus élevée que celle d'une batterie lithium-ion s'explique par le fait que chaque atome de soufre peut se lier ici à deux ions de lithium. Dans les batteries conventionnelles, c'est en moyenne moins d'un ion de lithium qui réagit. © Institut Paul Scherrer

Comment stabiliser la cathode de soufre ?

Mais jusqu'à aujourd'hui, le développement de batteries lithium-soufre se heurtait à un problème de taille. Ces systèmes ne pouvaient en effet guère supporter plus de 200 cycles de charge. Car la cathode de soufre avait tendance, sous l'action des électrons, à se dissoudre dans l'électrolyte, formant des polysulfures. Et c'est sur cette question que les chimistes de Waterloo ont travaillé récemment. Ils ont d'abord pensé stabiliser la cathode physiquement, à l'aide de nanofibres de carbone ou de graphène poreux. Finalement, ils se sont intéressés aux oxydes métalliques. L'oxyde de titane d'abord, puis le dioxyde de manganèse, qui s'est avéré encore plus efficace.

« Très peu de chercheurs étudient aujourd'hui la chimie du soufre », regrette la professeure Linda Nazar de la faculté des sciences de l'université de Waterloo. Alors, pour expliquer le phénomène, son équipe s'est appuyée sur un procédé chimique connu depuis 1845 sous le nom de réaction de Wackenroder. « Il est ironique que nous ayons dû chercher aussi loin dans la littérature pour comprendre quelque chose qui peut radicalement changer notre avenir. » La surface oxygénée de la nanofeuille de MnO2 qui entoure la cathode de soufre permet en fait de recycler chimiquement les sulfures. Le processus se déroule en deux étapes et implique un intermédiaire, un polythiosulfate, lié à la surface. Résultat : une cathode haute performance capable de recharger sur plus de 2.000 cycles !

Les chimistes de Waterloo ont depuis déjà découvert que l'oxyde de graphène semble protéger les cathodes en faisant intervenir un mécanisme similaire. Ils poursuivent donc leurs travaux à la recherche du matériau plus performant encore que le dioxyde de manganèse.