De la poudre de quartz pour la batterie du futur

La batterie lithium-soufre est considérée comme un candidat prometteur pour le stockage de l’énergie du futur: les matériaux nécessaires à sa construction sont bon marché, relativement écologiques et facilement disponibles. Mais surtout, en théorie, cette batterie est capable de fournir trois fois plus d’énergie que la batterie lithium-ion aujourd’hui largement utilisée. Toutefois, en pratique, certains obstacles demeurent, comme le fait que la batterie lithium-soufre perde rapidement en capacité lorsqu’on le recharge de manière répétée. Les prototypes actuels ne peuvent pas accomplir autant de cycles de charge que les batteries lithium-ion conventionnelles et ne fournissent par ailleurs qu’une fraction de l’énergie théoriquement disponible.

Des chercheurs en électrochimie du PSI ont réussi à lever le voile sur les processus responsables de ce phénomène, en utilisant une méthode d’examen impliquant l’utilisation des rayons X et qu’ils ont utilisée pour suivre les réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur de la batterie. Ils ont ainsi été les premiers à visualiser les modifications que subissent les composés liquides lithium-soufre dans la batterie et la manière dont ces modifications entraînent une perte de capacité. Ils ont également observé que l’adjonction de poudre de quartz permettait d’améliorer l’accumulateur lithium-soufre. Le quartz est le principal composant du sable et le principal ingrédient du verre. Or l’adjonction de cette poudre au composant liquide de la batterie permet d’augmenter l’énergie disponible et d’enrayer partiellement la perte de capacité qui intervient avec le temps. D’autres groupes de chercheurs avaient déjà constaté auparavant que la poudre de quartz interagissait avec les matériaux des batteries lithium-soufre. Les chercheurs du PSI ont à présent quantifié l’avantage de la poudre de quartz: Avec cette adjonction, la performance d’une batterie lithium-soufre augmente de 25 à 30%, explique Claire Villevieille, chercheuse au PSI et coauteur de l’étude. Nous avons simplement ajouté de la poudre de quartz à l’électrolyte, c’est-à-dire au composant liquide de l’accumulateur. De la même manière qu’on ajoute de la lessive en poudre dans la machine à laver.

De la poudre de quartz contre la pollution

Ce n’est pas un hasard si les chercheurs parlent de lessive en poudre, car la poudre de quartz fixe une forme de poussière dans la batterie. Le fonctionnement de la batterie lithium-soufre entraîne en effet l’apparition de polysulfures. Ces derniers sont un composant principal de la batterie. Mais ils sont partie prenante d’un phénomène indésirable: une partie d’entre eux passe dans l’électrolyte (le composant liquide de la batterie) où, à chaque charge et décharge, ils effectuent des va-et-vient en nageant dans l’électrolyte de la batterie. Les chercheurs parlent d’effet navette. Résultat: les polysulfures mal acheminés réagissent avec l’électrode de lithium de la batterie, ce qui entraîne une diminution de la quantité de soufre disponible, autrement dit de la quantité de matériau actif; la capacité de la batterie s’amenuise.

L’adjonction de poudre de quartz permet de contrecarrer ce processus. Nous avons effectivement constaté que la poudre de quartz fixait les polysulfures de la même manière que le savon fixe la saleté, relève Claire Villevieille. Cela augmente et maintient la capacité de charge, car l’intérieur de la batterie reste propre et opérationnel plus longtemps. La réversibilité du processus de décharge s’améliore. Nous appelons cela l’efficacité coulombique, explique encore Claire Villevieille. Elle augmente, passant d’environ 80 à 90 pour-cent. En comparaison, l’efficacité coulombique d’une batterie lithium-ions conventionnel est de plus de 99,9 pour-cent. D’ici à ce que nous l’atteignons, le chemin est donc encore long, confirme la chercheuse. Mais nous avons déjà effectué un grand pas.

Radiographie d’un accumulateur

L’effet positif du quartz est apparu lorsque les chercheurs du PSI en coopération avec leurs collègues de l’Université Grenoble-Alpes ont étudié les processus électrochimiques qui se jouent dans la batterie au moyen de ce qu’on appelle la diffraction des rayons X operando. En général, cette technique ne permet pas d’observer des composants liquides, si bien que les processus dans l’électrolyte restent invisibles, eux aussi. La diffraction des rayons X ne fonctionne que sur des structures cristallines ordonnées, détaille Joanna Conder, premièr auteur de l’étude et collègue de Claire Villevieille. Or les polysulfures flottent en principe de manière désordonnée dans l’électrolyte. Pour pouvoir les visualiser malgré tout, les chercheurs ont immergé des fibres de verre dans l’électrolyte, à la surface desquelles les polysulfures se sont déposés de manière ordonnée. Les polysulfures agencés de cette manière diffractent les rayons X et deviennent visibles, poursuit Joanna Conder. Cela nous a permis d’être les premiers à suivre la formation et la modification des polysulfures pendant les processus de charge et de décharge dans la batterie.

Même s’il s’agit d’un effet qu’ils n’avaient pas escompté, les chercheurs ont par ailleurs constaté que les fibres de verre réduisaient aussi l’impact indésirable des polysulfures. Etant donné que le verre est principalement composé de quartz, il était dès lors logique de se mettre à utiliser de la poudre de quartz dans la batterie, comme une espèce de lessive en poudre.

Simple et bon marché

Outre l’adjonction de poudre de quartz, il existe en principe d’autres approches pour empêcher les polysulfures de perturber le bon fonctionnement de la batterie, admettent les deux chercheuses du PSI: Mais ces approches sont soit très compliquées, soit très chères, soit les deux, surtout lorsqu’on passe à l’échelle industrielle, rappellent-elles. Alors que le quartz est pratiquement le matériau le plus avantageux qui existe. Ajouter cette substance à l’électrolyte est extrêmement simple, notent-elles encore. C’est là que réside le grand avantage de notre méthode, conclut Joanna Conder.

Texte: Jan Berndorff

À propos du PSI

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(Mise à jour: mai 2016)