
Les chercheurs de l’université de Drexel ont mis au point une cathode de soufre qui fonctionne dans un électrolyte carbonaté commercial et peut améliorer la capacité et la durée de vie des batteries les plus performantes. Crédit : Université de Drexel
Les chercheurs de Drexel développent une cathode de soufre stable qui fonctionne pendant des milliers de cycles dans l’électrolyte carbonate utilisé dans les batteries Li-ion commerciales, ouvrant la voie à des alternatives de batteries plus durables.
La demande croissante de véhicules électriques (VE) en Amérique a mis en lumière le défi important que représente l’approvisionnement durable de la technologie des batteries nécessaire à la transition vers l’électricité renouvelable et l’abandon des combustibles fossiles. Dans l’espoir de fabriquer des batteries non seulement plus performantes que celles actuellement utilisées dans les VE, mais aussi à partir de matériaux facilement disponibles, un groupe d’ingénieurs chimistes de l’université Drexel a trouvé un moyen d’introduire du soufre dans les batteries lithium-ion – avec des résultats étonnants.
Les ventes mondiales de véhicules électriques feront plus que doubler en 2021, les prix des matériaux de batterie comme le lithium, le nickel, le manganèse et le cobalt ont bondi. et les chaînes d’approvisionnement de ces matières premières, dont la plupart proviennent d’autres pays, se sont retrouvées engorgées par la pandémie. Cette situation a également attiré l’attention sur les principaux fournisseurs de ces matières premières, à savoir des pays comme le Congo et la Chine, et a soulevé des questions quant à l’impact de la pandémie sur l’environnement. l’impact humain et environnemental de leur extraction de la terre.
Bien avant l’essor des VE et la pénurie de matériaux de batterie, le développement d’une batterie au soufre commercialement viable a été la baleine blanche durable et performante de l’industrie des batteries. La raison en est l’abondance naturelle du soufre et sa structure chimique qui lui permettrait de stocker plus d’énergie. Une percée récente réalisée par des chercheurs du College of Engineering de Drexel, publiée dans la revue Communications Chemistry, fournit un moyen de contourner les obstacles qui ont entravé les batteries Li-S dans le passé, mettant enfin la technologie recherchée à portée commerciale.

Les chercheurs de l’université de Drexel ont créé une cathode de soufre qui ne réagit pas avec l’électrolyte de carbonate pour produire des polysulfures qui sont connus pour diminuer les performances des batteries. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à la viabilité commerciale de batteries lithium-soufre très performantes. Crédit : Université Drexel
Leur découverte est une nouvelle façon de produire et de stabiliser une forme rare de soufre qui fonctionne dans l’électrolyte de carbonate – le liquide de transport d’énergie utilisé dans les batteries Li-ion commerciales. Ce développement rendrait non seulement les batteries au soufre commercialement viables, mais elles auraient une capacité trois fois supérieure à celle des batteries Li-ion et dureraient plus de 4 000 recharges – l’équivalent de 10 ans d’utilisation, ce qui constitue également une amélioration substantielle.
“Comme nous l’avons démontré, il a également le potentiel d’améliorer les performances des batteries des véhicules électriques et des appareils mobiles d’une manière commercialement viable”, a déclaré Vibha Kalra, PhD, professeur à la chaire George B. Francis du département de génie chimique et biologique de Drexel, qui a dirigé la recherche.
Le défi de l’introduction du soufre dans une batterie au lithium avec un électrolyte carbonaté commercialement acceptable a été une réaction chimique irréversible entre les produits intermédiaires du soufre, appelés polysulfures et l’électrolyte carbonaté. En raison de cette réaction indésirable, les tentatives précédentes d’utiliser une cathode de soufre dans une batterie avec une solution d’électrolyte de carbonate ont entraîné un arrêt presque immédiat et une défaillance complète de la batterie après un seul cycle.
Les batteries Li-S ont déjà démontré des performances exceptionnelles dans des contextes expérimentaux en utilisant un électrolyte d’éther – plutôt que de carbonate – parce que l’éther ne réagit pas avec les polysulfures. Mais ces batteries ne seraient pas viables commercialement car l’électrolyte d’éther est très volatile et comporte des composants dont le point d’ébullition n’est que de 42 degrés Celsius, meaning any warming of the battery above room temperature could cause a failure or meltdown.
“In the past decade, the majority of Li-S field adopted ether electrolytes to avoid the adverse reactions with carbonate,” Kalra said. “Then over the years, the researchers deep-dived into enhancing performances in ether-based sulfur batteries by mitigating what is known as polysulfide shuttle/diffusion — but the field completely overlooked the fact that the ether electrolyte itself is a problem. In our work, the primary objective was to replace ether with carbonate, but in doing so we also eliminated polysulfides, which also meant no shuttling, so the battery could perform exceptionally well through thousands of cycles.”
Previous research by Kalra’s team also approached the problem in this way – producing a carbon nanofiber cathode that slowed the shuttle effect in ether-based Li-S batteries by curtailing the movement of intermediate polysulfides. But to improve the commercial path of the cathodes, the group realized it needed to make them function with a commercially viable electrolyte.
“Having a cathode that works with the carbonate electrolyte that they’re already using is the path of least resistance for commercial manufacturers,” Kalra said. “So rather than pushing for the industry adoption of a new electrolyte, our goal was to make a cathode that could work in the pre-existing Li-ion electrolyte system.”
So, in hopes of eliminating polysulfide formation to avoid the adverse reactions, the team attempted to confine sulfur in the carbon nanofiber cathode substrate using a vapor deposition technique. While this process did not succeed in embedding the sulfur within the nanofiber mesh, it did something extraordinary, which revealed itself when the team began to test the cathode.
“As we began the test, it started running beautifully – something we did not expect. In fact, we tested it over and over again – more than 100 times — to ensure we were really seeing what we thought we were seeing,” Kalra said. “The sulfur cathode, which we suspected would cause the reaction to grind to a halt, actually performed amazingly well and it did so again and again without causing shuttling.”
Upon further investigation, the team found that during the process of depositing sulfur on the carbon nanofiber surface — changing it from a gas to a solid — it crystallized in an unexpected way, forming a slight variation of the element, called monoclinic gamma-phase sulfur. This chemical phase of sulfur, which is not reactive with the carbonate electrolyte, had previously only been created at high temperatures in labs and has only been observed in nature in the extreme environment of oil wells.
“At first, it was hard to believe that this is what we were detecting, because in all previous research monoclinic sulfur has been unstable under 95 degrees Celsius,” said Rahul Pai, a doctoral student in the Department of Chemical and Biological Engineering and coauthor of the research. “In the last century there have only been a handful of studies that produced monoclinic gamma sulfur and it has only been stable for 20-30 minutes at most. But we had created it in a cathode that was undergoing thousands of charge-discharge cycles without diminished performance — and a year later, our examination of it shows that the chemical phase has remained the same.”
After more than a year of testing, the sulfur cathode remains stable and, as the team reported, its performance has not degraded in 4,000 charge-discharge cycles, which is equivalent to 10 years of regular use. And, as predicted, the battery’s capacity is more than three-fold that of a Li-ion battery.
“While we are still working to understand the exact mechanism behind the creation of this stable monoclinic sulfur at room temperature, this remains an exciting discovery and one that could open a number of doors for developing more sustainable and affordable battery technology,” Kalra said.
Replacing the cathode in Li-ion batteries with a sulfur one would alleviate the need for sourcing cobalt, nickel and manganese. Supplies of these raw materials are limited and not easily extracted without causing health and environmental hazards. Sulfur, on the other hand is found everywhere in the world, and exists in vast quanties in the United States because it is a waste product of petroleum production.
Kalra suggests that having a stable sulfur cathode, that functions in carbonate electrolyte, will also allow researchers to move forward in examining replacements for the lithium anode – which could include more earth-abundant options, like sodium.
“Getting away from a dependence on lithium and other materials that are expensive and difficult to extract from the earth is a vital step for the development of batteries and expanding our ability to use renewable energy sources,” Kalra said. “Developing a viable Li-S battery opens a number of pathways to replacing these materials.”
Reference: “Stabilization of gamma sulfur at room temperature to enable the use of carbonate electrolyte in Li-S batteries” by Rahul Pai, Arvinder Singh, Maureen H. Tang and Vibha Kalra, 10 February 2022, Communications Chemistry.
DOI: 10.1038/s42004-022-00626-2
In addition to Kalra and Pai, Maureen Tang, PhD, an associate professor; and Arvinder Singh, PhD, who was a postdoctoral researcher; all in Drexel College of Engineering’s Department of Chemical and Biological Engineering, contributed to this research. It was supported by the Drexel Ventures Innovation Fund and the National Science Foundation.