Un cristal d'iodure de soufre découvert par des chercheurs américains pourrait aider à résoudre certains des problèmes clés des batteries au lithium de nouvelle génération. Le matériau est 11 ordres de grandeur plus conducteur électroniquement que le soufre élémentaire, réduisant considérablement la résistance interne des batteries lithium-soufre. Il a également un point de fusion beaucoup plus bas, ce qui permet de réparer les défauts des électrodes dus à des cycles répétés en les chauffant doucement. Cela a permis à la batterie de conserver une bonne capacité sur 400 cycles de charge-décharge.

De nombreux chercheurs considèrent les batteries lithium-soufre comme une avancée majeure dans la technologie des batteries au lithium, car elles pourraient contenir beaucoup plus d'énergie que les batteries lithium-ion actuelles. Ceux-ci utilisent généralement des cathodes d'oxyde de lithium et de cobalt : lors de la charge, des ions lithium s'intercalent dans la structure, réduisant le cobalt (IV) en cobalt (III). Lors de la décharge, ce processus est inversé, libérant un électron dans le circuit externe. Les cathodes lithium-soufre fonctionnent cependant par conversion électrochimique. «Le lithium réagit avec le soufre pour former du sulfure de lithium, ce qui vous donne l'énergie nécessaire pour former votre batterie lithium-ion», explique Shyue Ping Ong, spécialiste des matériaux informatiques à l'Université de Californie à San Diego. Cela signifie que davantage d’ions lithium peuvent être stockés et plus d’électrons libérés, tout en évitant le besoin de cobalt, en proie à des problèmes de chaîne d’approvisionnement.

Cependant, le soufre élémentaire est très isolant, ce qui crée une résistance interne. De plus, la conversion est chimiquement complexe et problématique dans les électrolytes liquides. «Même si les deux membres terminaux sont solides et ne sont pas solubles dans les électrolytes, les intermédiaires le sont malheureusement», explique l'expérimentateur Ping Liu, également de l'UC de San Diego. « Cela permet de gérer la nature parfaitement isolante du soufre élémentaire, mais lorsque vous passez d'un solide à un liquide puis à un solide, il est très difficile d'obtenir une réversibilité. » Les batteries à semi-conducteurs, qui contiennent naturellement des électrolytes inertes, aident à résoudre le deuxième problème, mais elles aggravent le premier. Maintenir une interface conforme entre le soufre solide et une électrode solide au cours de cycles répétés est également un défi.

Liu et ses collègues ont produit des cristaux moléculaires d'iodure de soufre en chauffant ensemble du soufre et de la poudre d'iode. À la stœchiométrie optimale de S_9.3I, l'analyse du groupe d'Ong a montré des I périodiques₂ substitutions dans la structure octaédrique du soufre élémentaire. L'iode a ajouté des niveaux d'énergie électronique supplémentaires, augmentant la conductivité du matériau de 11 ordres de grandeur. De plus, cela a perturbé les forces de Van der Waals, abaissant le point de fusion à 65°C.

Les chercheurs ont testé leur matériau dans une batterie à semi-conducteurs, en le fondant initialement dans l'électrolyte pour obtenir des interfaces conformes. Ils ont découvert qu’en raison de sa plus grande conductivité électronique, elle présentait une capacité bien supérieure à celle d’une batterie dotée d’une cathode au soufre. Après 50 cycles, celui-ci s'était légèrement dégradé à mesure que des défauts s'étaient développés dans l'interface cathodique. Cependant, le réchauffage de la batterie à 100°C a restauré sa fonction en corrigeant ces défauts, et avec un réchauffage périodique, la batterie a conservé 87 % de sa capacité après 400 cycles. Les chercheurs travaillent désormais à la commercialisation de leur technologie. « L'aspect gestion thermique est étonnamment facile à mettre en œuvre », déclare Liu. «Le principal défi des batteries lithium-ion actuelles à électrolytes liquides réside dans le fait qu'elles doivent être refroidies.»

«En tant que chimiste et électrochimiste inorganique travaillant sur les batteries lithium-soufre, je suis très intriguée», déclare Linda Nazar de l'Université de Waterloo au Canada. Elle note que l'existence et la nature des iodures de soufre ont fait l'objet de débats pendant plus de 100 ans, de nombreux manuels de chimie affirmant qu'aucun composé de ce type n'était possible malgré un rapport faisant état d'un composé ayant un point de fusion de 65°C en 1908. Elle note cependant que la capacité par unité de surface d'électrode de la cathode sur 400 cycles est d'environ 1 mAh/cm² – moins que les batteries au lithium commerciales aujourd’hui. Cependant, dans les données étendues, les chercheurs montrent des batteries qui ont 4 à 4,5 mAh/cm² capacité soutenue sur 50 cycles « très prometteurs ». Étendre cela à des centaines de cycles «constituerait un changement radical», dit-elle.