Dans la prochaine génération de technologies avancées de batteries secondaires, les batteries lithium-soufre et lithium-ion sont les deux principaux systèmes de développement. Les batteries lithium-soufre utilisent des électrolytes solides sûrs et ininflammables. Cela permet de résoudre les problèmes de sécurité rencontrés dans les batteries à électrolytes organiques. Les batteries lithium-soufre utilisent du lithium métal comme électrode négative. Elles utilisent du soufre ou du sulfure de lithium (Li2S) comme électrode positive. Ces batteries peuvent stocker une énergie cinq fois supérieure à celle des batteries lithium-ion classiques. Ces deux types de batteries sont devenus essentiels au développement des technologies énergétiques dans le monde entier ces dernières années.
Qu'est-ce que le sulfure de lithium (Li2S) ?
Le sulfure de lithium (Li2S) est essentiel à la fabrication d'électrolytes solides sulfurés (SSE). Il constitue également le premier choix pour l'électrode positive des batteries lithium-soufre. L'utilisation d'électrodes négatives comme le graphite et le silicium peut aider à prévenir les risques de sécurité liés aux électrodes en métal lithium. Ainsi, la demande de matériaux Li2S a augmenté sur le marché mondial ces derniers temps.
Avant que les batteries lithium-soufre et sulfure à l’état solide ne suscitent l’intérêt, le sulfure de lithium avait peu d’utilisations pratiques. Peu de gens l’étudiaient à l’époque. Le rédacteur en chef de China Powder Network a vérifié les informations. Il a découvert qu’au 20e siècle, seuls quelques documents chinois évoquaient le Li2S dans les batteries. Le premier était un rapport de recherche de l’académicien Chen Liquan de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Pékin en 1985. Après près de 30 ans, vers 2015, l’enthousiasme de la recherche pour le sulfure de lithium s’est progressivement intensifié. Aujourd’hui, le sulfure de lithium est une « star » des batteries à l’état solide et des matériaux lithium-soufre.
Comment préparer le sulfure de lithium (Li2S) ?
Le sulfure de lithium pur se présente sous forme de cristaux blancs à jaunes. Il a une structure antifluorite. Sa densité relative est de 1,66. Son point de fusion est de 938 °C et son point d'ébullition de 1 372 °C. Il se dissout facilement dans l'eau et est également soluble dans l'éthanol et l'acide. Cependant, il ne se dissout pas dans les alcalis. Les composés Li2S n'existent pas dans la nature. Ils se décomposent facilement à l'air, ce qui conduit à la production de gaz de sulfure d'hydrogène. Ce gaz a une odeur d'œuf pourri.
Contrairement au premier, les deux autres sulfures alcalins, Na2S et K2S, peuvent se mélanger à l'eau. Ils forment des cristaux hydratés : Na2S·9H2O et K2S·5H2O. On peut obtenir leurs formes anhydres en les chauffant directement. Ces trois sulfures ont des propriétés chimiques très similaires. Ils partagent le même anion divalent, S2-. Cette similitude les rend utiles dans la fabrication du papier, du cuir et de la vulcanisation du caoutchouc. Le Li2S coûte beaucoup plus cher que les deux autres produits similaires. Cela s'explique principalement par le prix élevé du lithium, sa matière première. De plus, la production et le stockage sont difficiles.
Les méthodes actuelles de fabrication du sulfure de lithium comprennent :
- Méthode de broyage à boulets
- Méthode du solvant
- Méthode à haute température et haute pression
- Méthode composite directe au carbone
Broyage à boulets
Principe du procédé : Mélanger du soufre élémentaire avec du lithium métallique ou de l'hydrure de lithium dans une atmosphère inerte. Ensuite, utiliser un broyeur à boulets mécanique pour créer du sulfure de lithium.
Avantages : Procédé simple, respectueux de l'environnement, aucun déchet liquide généré.
Inconvénients :
- Coût élevé des matières premières (hydrure de lithium)
- Temps de réaction long
- Faible taux de conversion
- Le produit contient des impuretés telles que le polysulfure de lithium, qui sont difficiles à purifier
- Choisir un équipement industriel est un défi.
Méthode du solvant
Principe du procédé : Mélanger des composés de lithium et de soufre dans un solvant. Cette réaction produit du sulfure de lithium. Le solvant peut être un solvant organique ou de l'ammoniac liquide. Les solvants organiques comprennent les hydrocarbures aliphatiques, les hydrocarbures aromatiques ou les solvants à base d'éther. Des exemples courants sont l'éthanol, l'hexane, le toluène, l'éther, le tétrahydrofurane et l'azote méthylpyrrolidone.
Avantages :
- La réaction en phase liquide est terminée.
- Les impuretés sont moins susceptibles de rester.
- La purification du produit est facile.
- Aucun traitement à haute température n'est nécessaire.
- La consommation d'énergie est faible.
- Le processus est simple et les conditions de travail sont faciles à contrôler.
Inconvénients : Les solvants organiques peuvent prendre feu, exploser et s'évaporer rapidement. Cela entraîne une pollution importante et rend le recyclage difficile. De plus, travailler avec eux est très dangereux et difficile à gérer.
Méthode à haute température et haute pression
Principe du procédé : Dans une atmosphère protectrice, inerte ou réductrice, la température et la pression élevées font réagir les composés du lithium et du soufre. Cette réaction contribue à la formation du sulfure de lithium.
Avantages : Le procédé est simple. Il ne génère aucun gaz nocif. Il utilise également une température et une pression élevées pour éviter les fuites de solvants nocifs. Cela réduit considérablement le temps de préparation.
Inconvénients :
- La température et la pression élevées rendent le contrôle difficile.
- Les exigences en matière d'équipement sont strictes.
- Le processus de réaction et le post-traitement comportent des risques accrus.
Procédé composite direct au carbone
Principe du procédé : Le carbone peut facilement réduire les matériaux. Cela nous permet d'ajouter du carbone directement lors de la fabrication du sulfure de lithium. Cela permet d'obtenir un composite sulfure de lithium/carbone. Il présente une dispersion uniforme, de solides performances et une forme contrôlable, le tout en une seule étape.
Avantages :
- La réaction est plus facile à contrôler, ce qui permet de résoudre les problèmes de production et de stockage causés par la sensibilité du sulfure de lithium à l'eau et à l'oxygène.
- Il augmente le rendement et les performances du produit.
- Il simplifie le processus complexe de préparation des composites traditionnels sulfure de lithium/carbone.
- Il améliore la manière dont les matériaux actifs se propagent dans l’électrode positive des batteries lithium-soufre.
- Il améliore également les performances électrochimiques de ces batteries.
Inconvénients : La technologie du procédé doit être améliorée. La qualité du produit est instable. De plus, la morphologie du matériau composite est difficile à contrôler.
Quelle est la difficulté d’industrialiser le sulfure de lithium (Li2S) de qualité batterie ?
Le sulfure de lithium est une matière première essentielle pour les électrolytes solides au sulfure. Le Japon, la Corée du Sud, les États-Unis et la Chine sont leaders dans la technologie des batteries. Le Japon et la Corée du Sud font de gros efforts pour développer des batteries à l'état solide à base de soufre. Ils élaborent des plans stratégiques pour faire progresser cette technologie. Bien que toutes les entreprises encouragent vigoureusement le développement de batteries à l'état solide à base de soufre, ces dernières ne sont pas encore industrialisées.
Les principales raisons sont au nombre de deux :
- Le coût élevé des matières premières, notamment du sulfure de lithium.
- Le problème d’interface dans les batteries entièrement solides à base de soufre affecte le lien entre les électrodes positives et négatives et l’électrolyte solide.
Le sulfure de lithium est important pour la fabrication d'électrolytes solides sulfurés et pour les batteries lithium-soufre. Sa pureté, la taille de ses particules et sa forme sont cruciales pour les performances de la batterie. Le coût de production est également essentiel pour utiliser avec succès le sulfure de lithium dans les batteries commerciales.
Les matières premières à haut risque sont difficiles à obtenir
Les principaux matériaux pour le sulfure de lithium sont :
- Lithium métallique ou hydrure de lithium
- Gaz de sulfure d'hydrogène
- Solvants organiques
Le lithium métallique et l'hydrure de lithium peuvent être difficiles à trouver, et le H2S est un gaz très toxique. Il est donc dangereux de le transporter, de l'utiliser et de le stocker. La plupart des solvants organiques sont des produits chimiques dangereux, inflammables ou explosifs. L'obtention et le stockage des matières premières à base de sulfure de lithium comportent de nombreuses incertitudes et de nombreux risques.
La séparation et la purification des produits de haute pureté sont difficiles
Certains fabricants d'électrolytes exigent désormais une pureté plus élevée pour le sulfure de lithium. Ils ont défini les normes suivantes :
- La teneur en carbone doit être de 0,1% ou moins.
- La teneur en humidité doit être ≤ 100 mg/kg.
- Les impuretés métalliques doivent être inférieures à 100 mg/kg.
- La taille des particules doit être D50≤7 um et D90≤2D50.
Certains fabricants de sulfure de lithium doivent purifier leur produit, ce qui ajoute à la complexité du processus.
Le développement d’équipements spéciaux pour la production de sulfure de lithium est difficile
Le sulfure de lithium est un nouveau sel de lithium. Il s'agit d'une matière première importante pour la prochaine génération de batteries à semi-conducteurs à haute densité énergétique. La Chine s'efforce actuellement de transformer ce matériau de la production à petite échelle à une utilisation industrielle complète. Les équipements industriels doivent être personnalisés en fonction du processus et le développement des équipements est difficile. Le système de matériaux actuel ne parvient pas à répondre aux besoins de personnalisation des équipements industriels au sulfure de lithium. Le principal problème qui freine l'industrialisation du sulfure de lithium est le besoin d'équipements spéciaux.
