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Nov 03, 2023

La promesse d'un lithium

Moteur de changement Faible coût et haute densité, une batterie au lithium-soufre pourrait

Conduire le changement

Peu coûteuse et à haute densité, une batterie au lithium-soufre pourrait alimenter l'avenir des transports - si jamais elle arrive sur le marché.

Par Katie Fehrenbacher

7 mars 2023

Lyten, une startup basée en Californie, développe une batterie au lithium-soufre. Les entreprises et les scientifiques se bousculent pour déchiffrer le code d'une batterie révolutionnaire qui pourrait être la prochaine en ligne après le lithium-ion. Image via Shutterstock/T. Schneider

L'élément soufre est bon marché et abondant. Il y en a tellement sur Terre que de gros tas jaunes de ce matériau se trouvent généralement à l'extérieur des raffineries de combustibles fossiles après avoir été dépouillés de pétrole et de gaz naturel.

Mais les électrochimistes - des scientifiques qui étudient comment les réactions chimiques créent de l'électricité - voient depuis longtemps le soufre comme une perspective alléchante pour un incroyable stockage d'énergie. En effet, la combinaison de lithium et de soufre a le potentiel de créer une batterie extraordinaire qui pourrait à la fois stocker plus d'énergie et être fabriquée à moindre coût que les batteries lithium-ion utilisées aujourd'hui dans les ordinateurs portables et les véhicules électriques.

Une batterie lithium-soufre commerciale pourrait faire de "l'électrification quelque chose d'abondant", où "il est facile de tout électrifier", a déclaré Celina Mikolajczak, responsable de la technologie des batteries de la startup Lyten, lors du Bloomberg New Energy Finance Summit à San Francisco en janvier. Lyten développe une batterie lithium-soufre.

Les batteries lithium-ion actuelles sont entravées par l'approvisionnement limité en nickel. Le cobalt, un autre ingrédient clé des batteries lithium-ion d'aujourd'hui, est en grande partie extrait en République démocratique du Congo, où les mines de cobalt sont en proie à des problèmes de droits humains. L'idée est que l'abondance et le faible coût du soufre pourraient rendre une batterie lithium-soufre beaucoup moins chère et moins dépendante des régions problématiques que la batterie lithium-ion actuelle, qui coûte environ 150 dollars par kilowattheure.

Dans le même temps, l'utilisation de soufre dans une batterie pourrait fournir une densité d'énergie théorique très élevée, ou une quantité d'énergie que la batterie peut contenir sur une seule charge. Les véhicules électriques d'aujourd'hui peuvent parcourir environ 300 miles par charge, mais une batterie au lithium-soufre pourrait potentiellement doubler cette autonomie - ou créer un véhicule électrique qui pèse la moitié du poids de l'équivalent alimenté au lithium-ion.

Au moins, ce sont les grands espoirs. Les batteries lithium-soufre sont encore confinées aux laboratoires de recherche.

Mais alors que l'argent afflue dans un secteur émergent des batteries aux États-Unis en raison de la loi sur la réduction de l'inflation, les entreprises et les scientifiques se démènent pour déchiffrer le code afin de développer une batterie révolutionnaire qui pourrait être la suivante après le lithium-ion. L'enjeu est une technologie qui pourrait potentiellement accélérer à la fois les véhicules électriques et stocker de l'énergie propre.

La grande question est de savoir si une entreprise peut développer et fabriquer une batterie au lithium-soufre pour fonctionner comme annoncé lorsqu'elle est fabriquée en gros volumes. Alors que les startups, les chercheurs et les grandes entreprises de batteries travaillent sur la chimie, aucune batterie lithium-soufre n'est fabriquée commercialement à grande échelle.

"Le soufre est indiscipliné. Le lithium est indiscipliné. Lorsque vous associez ces deux éléments, vous obtenez une chimie avec laquelle il est vraiment difficile de travailler", a déclaré Mikolajczak lors du sommet de la BNEF. "Il y a une raison pour laquelle cette chimie n'a pas été exploitée depuis longtemps."

Un problème est que le soufre, utilisé comme cathode de la batterie lithium-soufre, subit un changement de phase lorsqu'il est chargé et déchargé. Il passe d'un solide à un liquide et redevient solide. Cela le rend vraiment "difficile", a déclaré Mikolajczak. "C'est douloureux de travailler avec. Ça fait exploser la tête."

Les premières tentatives de batteries au lithium-soufre ont vu le composé soufré se dissoudre dans l'électrolyte, le milieu (généralement liquide) à travers lequel les ions se chargent et se déchargent.

De nombreuses tentatives de développement de batteries au lithium-soufre ont abouti à des batteries à faible fonctionnement qui développent des dendrites, de minuscules structures métalliques qui peuvent se former pendant le processus de charge. Les dendrites provoquent des courts-circuits et des pannes de batterie, et les batteries au lithium-soufre ont eu du mal à maintenir des cycles de charge élevés.

La société de Mikolajczak, Lyten – une startup de 8 ans basée à San Jose, en Californie – peut fabriquer une forme froissée de graphène qui, selon elle, est idéale pour maintenir le soufre ensemble dans la batterie tout en agissant également comme conducteur. La société affirme avoir obtenu des résultats prometteurs lors de ses essais, et Mikolajczak a déclaré à GreenBiz dans une interview qu'elle s'attend à ce que Lyten soit en mesure de développer "une cellule de batterie respectable" dans environ un an. Ce ne sera pas en gros volumes, mais les premiers clients pourront l'utiliser, a-t-elle déclaré. Lyten prévoit de vendre les batteries aux constructeurs automobiles et aux fabricants de drones et de véhicules volants.

Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne ont également récemment fait des progrès sur la batterie lithium-soufre. Les scientifiques d'Argonne ont créé une couche poreuse contenant du soufre dans la batterie qui peut aider à protéger les matériaux de la destruction des dendrites.

En laboratoire, la batterie lithium-soufre d'Argonne a pu se charger et se décharger 700 fois, ce qui est compétitif par rapport aux batteries lithium-ion d'aujourd'hui. L'équipe scientifique d'Argonne a pu voir le succès de la couche dans la cellule lithium-soufre en utilisant une machine de diffraction des rayons X à la pointe de la technologie dans l'un des laboratoires d'Argonne. C'est un outil de pointe d'un milliard de dollars.

Le scientifique d'Argonne Guiliang Xu - l'un des auteurs d'un article récent - a déclaré à GreenBiz qu'Argonne prévoyait de travailler avec le secteur privé pour commercialiser la technologie et construire un prototype de batterie.

Les États-Unis ne sont bien sûr pas le seul endroit où les chercheurs tentent de déverrouiller le code lithium-soufre. L'Union européenne a financé le projet LISA, qui vient de se terminer, et s'est penché sur le développement d'innovations autour de la conception des cellules de batterie au lithium-soufre.

Le géant coréen LG, par l'intermédiaire de sa branche énergétique LG Energy Solution, a déclaré qu'il prévoyait d'essayer de commercialiser une batterie au lithium-soufre en 2025. Une startup allemande appelée Theion indique sur son site Web qu'elle essaie également de commercialiser une batterie au lithium-soufre. bientôt.

Avec de nouveaux fonds disponibles grâce à l'IRA récemment adopté, les entreprises américaines pourraient être prêtes à capitaliser sur le soutien du gouvernement et le marché en pleine croissance des véhicules électriques.

Mikolajczak de Lyten a qualifié l'IRA "d'énorme" pour le développement de nouvelles batteries. "La fabrication de batteries demande beaucoup de capital. [Les subventions de l'IRA] donnent à chacun beaucoup plus de chances de se battre", a déclaré Mikolajczak à GreenBiz.

Dans le même temps, les constructeurs automobiles deviennent plus agressifs lorsqu'il s'agit d'investir dans la technologie des batteries et la chaîne d'approvisionnement des batteries. Des entreprises telles que GM, Daimler et Ford s'associent à des startups de batteries prometteuses et à des fournisseurs de minéraux pour batteries. D'autres sociétés de véhicules électriques pure play telles que Tesla et BYD ont longtemps investi massivement dans leur technologie de batterie.

Les startups de la technologie climatique semblent être relativement plus à l'abri des craintes de récession et des licenciements que leurs homologues des startups informatiques. Les investisseurs privés continuent de financer des startups de technologie climatique, y compris des fabricants de batteries tels que Lyten, qui a levé plus de 200 millions de dollars de financement à ce jour.

Malgré les innovations et les financements récents, les batteries lithium-soufre ont encore un long chemin à parcourir. La batterie lithium-ion actuelle qui alimente la révolution actuelle des véhicules électriques a bénéficié de 30 ans de progrès. Attendez-vous à de nombreuses années, voire des décennies, avant qu'une batterie au lithium-soufre ne soit utilisée dans une voiture en tant que Tesla ou GM.

Les premières batteries au lithium-soufre finiront probablement dans des véhicules et des appareils qui doivent être super légers. Parce que la batterie au lithium-soufre a une densité d'énergie double, elle pourrait alimenter un véhicule avec la moitié du poids.

Ce poids léger pourrait aider à déterminer les premiers clients. Lorsque les batteries lithium-soufre sortent enfin du laboratoire, il ne faut pas s'attendre à ce que les premières alimentent les voitures sur les routes. Au lieu de cela, ce seront probablement des drones et de petits véhicules volants dans le ciel.

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