Batterie au lithium-soufre ou au magnésium-soufre - différences intrinsèques et perspectives pratiques

Introduction de la batterie au magnésium et au soufre

Les batteries rechargeables métal-soufre, telles que les batteries lithium Li-S, Na-S, K-S, Al-S, Ca-S et magnésium, utilisent le soufre comme électrode positive et sont beaucoup moins chères que les batteries lithium-ion (LIB) typiques. Les matériaux cathodiques à base de cobalt, de manganèse et de nickel sont plus abondants et plus durables.

En outre, en raison de la capacité élevée du soufre et des anodes métalliques, le système de batterie a une énergie spécifique théorique élevée, la batterie lithium-soufre (LSB) (2654Wh kg-1 et 2856Wh L-1) et la batterie magnésium-lithium (batterie magnésium-soufre) (1684Wh kg-1 et 3221WhL-1).

Bien que les surtensions et l'utilisation incomplète des matériaux actifs, ainsi qu'une grande proportion d'électrolytes et d'autres matériaux inactifs, réduisent considérablement les énergies spécifiques des batteries LSB et des batteries au soufre de magnésium, ces deux systèmes ont le potentiel d'être similaires, voire supérieurs, aux batteries LIB.

Dans le cas du LSB, la combinaison de lithium coûteux et localement limité comme matériau d'anode (au moins 250 $kg-1 pour les feuilles de lithium métal, 18 ppm dans la croûte, 0,2 g m-3 dans l'eau de mer) compense l'avantage de la cathode S en termes de coûts.

La batterie au magnésium et au soufre utilise du magnésium bon marché et abondant dans le monde comme matériau d'anode (magnésium métallique 2,5$ kg-1, 2,2% dans la croûte terrestre, 1kg m-3 dans l'eau de mer), par conséquent, la batterie au magnésium et au soufre est plus attrayante car elle peut être plus rentable, avec une plus grande abondance d'éléments et une meilleure accessibilité des matériaux, une alternative plus durable à la LIB et à la LSB.

Contrairement aux anodes en métal alcalin et en métal calcique, le potentiel de réduction standard des anodes en magnésium (-2,36 V par rapport aux électrodes d'hydrogène standard, SHE), avec une stabilité exceptionnellement élevée aux électrolytes liquides.

Par conséquent, dans de nombreux systèmes électrolytiques, en particulier dans les expériences de voltampérométrie cyclique, on a observé des anodes principalement exemptes de couches superficielles et des efficacités coulombiennes réversibles d'électrodéposition/décapage de Mg atteignant 99,9%.

Pour les métaux Li, Na, K et Ca, par rapport à SHE, leurs potentiels d'électrode standard inférieurs sont respectivement de -3,04 V, -2,71 V, -2,92 V et -2,87 V, ce qui entraîne une instabilité thermodynamique des électrolytes organiques couramment utilisés.

La corrosion continue des anodes en métal Li est atténuée par l'interphase d'électrolyte solide (SEI) ou l'application d'une protection par électrolyte solide.

Cependant, sur les anodes Na et K, le SEI protecteur est compliqué par la grande solubilité des composants du SEI contenant du Na+ et du K+. Sur les anodes en Ca (-2,87V vs. SHE), la décomposition de l'électrolyte et la formation de films de surface conduisent à des surpotentiels élevés pour l'électrodéposition/le décapage du Ca, et même à une passivation complète des électrodes.

Caractéristiques des anodes métalliques Li et Mg

Li et Mg se trouvent dans une relation diagonale dans le tableau périodique. Par conséquent, certaines propriétés chimiques sont similaires, comme la formation de monoxydes pendant la combustion, leur réactivité à l'azote et l'instabilité chimique de leurs carbonates lorsqu'ils sont chauffés. Toutefois, comme nous le verrons plus loin, leurs propriétés en tant qu'anodes métalliques dans les piles varient considérablement. Les défis auxquels sont confrontées les anodes des batteries LSB et des batteries au magnésium et au soufre sont résumés dans les figures 1 et 2.

Figure 1： Résumé des principales caractéristiques et des principaux défis des LSB.

Comme indiqué en rouge, la recherche devrait se concentrer sur l'atténuation de la corrosion persistante des anodes en métal Li, qui est amplifiée par le dépôt de Li sur une grande surface. Les structures moléculaires comprennent Li (gris), S (jaune), O (rouge), C (cyan), H (blanc) et N (bleu). Un canal bloqué est marqué d'une croix rouge. Structure moléculaire redessinée d'après Bieker et al.

Figure 2 : Résumé des principales caractéristiques et des principaux défis des batteries au sulfure de magnésium.

Comme indiqué en rouge, la recherche devrait se concentrer sur la réduction du surpotentiel élevé de l'anode de Mg et de la cathode de S, ainsi que sur l'obtention d'un faible rapport E:S. Les structures moléculaires comprennent Mg (gris), S (jaune), O (rouge), C (cyan), H (blanc) et N (bleu). Un canal bloqué est marqué d'une croix rouge. Structure moléculaire redessinée d'après Bieker et al.

Electrolytes dans les piles au lithium-soufre et au magnésium-soufre

Comme le potentiel de l'électrode standard de Li est aussi bas que -3,04 V par rapport à SHE, le métal Li est thermodynamiquement instable par rapport aux électrolytes organiques liquides couramment utilisés.

Afin de ralentir la corrosion continue, de ralentir l'autodécharge de l'anode et la dégradation de l'électrolyte, le métal Li est généralement protégé cinétiquement par un SEI isolant électroniquement mais conducteur de Li+.

Pour compenser la variation de volume lors de l'électrodéposition et du décapage du lithium et empêcher la formation de lithium à grande surface (HSAL, souvent appelé lithium hétéro ou dendritique), le SEI doit également être stable, flexible et homogène.

La formation d'une véritable protection à long terme par SEI sur les anodes en métal Li a été étudiée pendant des décennies et reste un défi non résolu pour les systèmes de batteries à base de métal Li, y compris les LSB.

Pour compenser la réactivité de l'anode en métal Li avec l'électrolyte, les cellules LSB nécessitent un excès de métal Li et une grande quantité d'électrolyte. Ce dernier a généralement un rapport E:S élevé.

En revanche, pour l'anode de la batterie au magnésium et au soufre, le potentiel est de -2,36 V par rapport à l'électrode standard SHE, qui est très stable dans de nombreux systèmes électrolytiques. Dans les expériences de voltampérométrie cyclique, la réversibilité de Coulomb de l'électrodéposition et de l'exfoliation de Mg peut atteindre 99,9%.

Par conséquent, l'effet potentiel de protection cinétique du film de surface sur le Mg n'est pas aussi important que l'effet susmentionné sur les anodes Li, Na, K et Ca. Toutefois, dans certains systèmes électrolytiques, une réversibilité de Coulomb aussi élevée ne peut être obtenue qu'après un certain nombre de cycles d'électrodéposition et de décapage du Mg.

Dans ce processus dit de "conditionnement", la capacité irréversible correspond à la réduction de HO ou d'autres impuretés réductibles dans l'électrolyte. Dans les électrolytes contenant AlCl3, la capacité irréversible peut également correspondre à la corrosion de Mg par AlCl2+ ou d'autres espèces AlClx.

Par conséquent, la capacité irréversible peut être évitée en prétraitant l'électrolyte avec du magnésium métallique ou en préparant directement l'électrolyte avec une stœchiométrie optimisée et en ajoutant des espèces réductrices telles que Bu2Mg.

La grande différence entre les comportements d'électrodéposition et d'exfoliation du Mg et du Li provient des propriétés des cations Li+ et Mg2+. La forte interaction électrostatique de la densité de charge élevée des cations Mg2+ par rapport à Li+ se traduit par une conductivité ionique des électrolytes de Mg inférieure à celle observée dans les électrolytes de Li (≈5 ~ 15 mScm-1) (typiquement < 5 mScm-1).

Bien que les électrolytes à base de magnésium avec des anions faiblement coordinants présentent une conductivité ionique comparable à celle des électrolytes à base de lithium (par exemple, le tétrakis(hexafluoroisopropoxy)borate de magnésium (Mg[B(hfip)4]2) jusqu'à 11 mS cm- 1).

L'interaction inhibe en outre le flux rationnel de Mg2+ dans le solide. Par conséquent, l'apparition de couches interfaciales, provenant par exemple de la décomposition de composants de l'électrolyte ou d'impuretés, ralentit l'électrodéposition et l'exfoliation du Mg2+, et peut même rendre les électrodes passivées pour le transport des ions. Par conséquent, la principale approche de la recherche sur les batteries au magnésium et au soufre consiste à maintenir la surface de l'anode en magnésium nue et sans passivation.

Outre le choix d'une composition d'électrolyte stable au magnésium métallique, il peut être nécessaire de réduire les piégeurs d'impuretés tels que les matériaux de Grignard précédemment utilisés, de petites quantités de Bu2Mg ou un prétraitement de l'électrolyte avec du magnésium métallique.

Les courants de réduction supérieurs à 0 V par rapport au potentiel Mg/Mg2+ et la diminution continue des surpotentiels pour l'électrodéposition et le stripping du Mg au cours du processus de "conditionnement" susmentionné indiquent une "purification" électrochimique. Ici, la réduction du surpotentiel est également considérée comme étant liée à la formation d'espèces Cl-, qui peuvent éliminer la couche superficielle de l'anode de Mg et supprimer l'adsorption et la décomposition ultérieures des impuretés.

En outre, la forte coordination de Mg2+ avec le solvant de l'électrolyte entraîne une barrière d'énergie de désolvatation élevée, ce qui conduit à un surpotentiel d'électrodéposition de Mg. De même, la barrière d'énergie de désolvatation élevée des cations Mg2+ ralentit l'insertion de Mg2+ dans le matériau de la cathode.

Pour réduire ces surpotentiels, il est nécessaire d'affaiblir la coordination des cations Mg2+ avec le solvant, par exemple en transférant Mg2+ dans Mg2Cl3+, Mg2Cl22+ ou d'autres complexes MgxClyz+.

Certains électrolytes de magnésium contenant du chlorure sont corrosifs pour les composants des boîtiers de batterie ou des collecteurs de courant en aluminium et doivent être protégés par des revêtements ou remplacés par des matériaux résistant à la corrosion.

Comparaison des morphologies de dépôt des anodes métalliques Li et Mg

Lorsque l'on compare les morphologies de dépôt des anodes métalliques de Li et de Mg, on dit souvent que le Li souffre de HSAL ou même de la formation de dendrites, alors que l'électrodéposition du Mg est uniforme et sans dendrites. Pour les anodes métalliques de lithium, on a constaté que les dépôts présentaient des morphologies moussues, en forme d'aiguilles, nodulaires ou granulaires.

Pour les anodes de batteries Mg-Li, les dépôts sont généralement décrits comme des structures pyramidales ou hexagonales. L'étude comparative de Matsui sur l'électrodéposition et la dissolution du lithium et du magnésium à différentes densités de courant illustre cette différence.

Les différentes morphologies de dépôt s'expliquent principalement par le film propre et sans surface sur l'électrode de Mg qui conduit à une distribution de courant plus uniforme par rapport à la distribution de courant non uniforme à travers le SEI multicomposant sur le métal Li. La surface de lithium non protégée est exposée lorsque le SEI se fracture lorsque le volume de l'électrodéposition et de la dissolution du lithium change.

Il en résulte une distribution plus irrégulière du courant sur la surface de l'électrode, ce qui réduit les performances et la sécurité. En exposant le lithium non protégé, ce mécanisme accélère la corrosion de l'électrode. Pour supprimer ces deux phénomènes, un SEI stable, flexible et homogène est nécessaire.

Pour les anodes de batteries magnésium-soufre, la tendance à un dépôt plus uniforme de Mg par rapport au métal Li est également attribuée à la faible barrière de diffusion superficielle du Mg. En outre, on suppose que la raréfaction locale des espèces actives de Mg dans l'électrolyte après l'électrodéposition du Mg produit une distribution uniforme des surfaces de nucléation du Mg.

Cette idée est à l'origine de la conductivité ionique généralement plus faible des électrolytes de Mg (typiquement < 5 mS cm-1) par rapport à leurs homologues de Li (≈ 5~15 mS cm-1) par rapport au dépôt plus hétérogène de Li. support.

Bien que quelques électrolytes de Mg présentent une conductivité ionique plus élevée (par exemple, Mg[B(hfip)4]2 jusqu'à 11 mA cm-1). De même, le processus d'électrodéposition homogène peut s'expliquer par la barrière cinétique à la désolvatation des espèces de Mg.

Sécurité des piles au lithium-soufre et des piles au magnésium-soufre

Outre la corrosion accrue de l'anode en lithium métal, la formation de HSAL, en particulier la formation de dendrites de lithium, entraîne un risque de court-circuit interne car elles se développent à travers le séparateur et atteignent la cathode. Bien que la tendance à la formation de dendrites soit faible dans le cas des anodes métalliques des batteries au sulfure de magnésium, la rigidité et la dureté élevées des dendrites de Mg augmentent également le risque de courts-circuits internes dans les batteries à base de métal Mg par rapport à leurs homologues Li.

Dans le cas du lithium métal, la forte réactivité à l'humidité et à l'air, la faible température d'auto-inflammation de 180 °C et le faible point de fusion de 181 °C posent des problèmes de sécurité. En revanche, le magnésium métallique a une température d'auto-inflammation élevée de 473 °C et un point de fusion de 650 °C. Sous forme de feuille de magnésium, il se passivise au contact de l'humidité et de l'air à température ambiante. Toutefois, le magnésium métallique est hautement inflammable et doit donc également être considéré comme un risque potentiel pour la sécurité.

Cathode au soufre de la batterie au lithium-soufre ou au magnésium-soufre

Pour les électrodes positives, l'électrolyte doit être non nucléophile et présenter une certaine stabilité à l'oxydation afin de rester stable au soufre élémentaire. Par conséquent, les piles au sulfure de magnésium doivent concevoir des électrolytes de Mg non nucléophiles et stables sur le plan électrochimique.

Comme pour la batterie LSB, la réduction globale du soufre élémentaire en sulfures pendant la décharge et la réoxydation de ces espèces en soufre pendant la charge passent toutes deux par des intermédiaires polysulfures. Cependant, par rapport à la batterie LSB, la batterie au soufre de magnésium a montré un chemin de réaction différent, un surpotentiel plus élevé et une réversibilité de Coulomb plus faible.

Lorsque l'on compare les cathodes S dans des électrolytes contenant du Li+ ou du Mg2+, les paragraphes suivants expliquent comment ces différences proviennent en fin de compte des interactions électrostatiques plus fortes du Mg2+ avec les polysulfures et les anions sulfures. Les défis de la cathode S dans la batterie LSB et la batterie au magnésium et au soufre sont résumés dans les figures 1 et 2 ci-dessus.

Polysulfures de lithium-soufre et de magnésium-soufre pour batteries

Les polysulfures de Li et de Mg forment un système d'équilibre de disproportion et de dissociation complexe, comme le montrent les équations 1 à 4. Ici, on pense que la réaction de disproportion est due à la faible densité de charge (souvent appelée "longues chaînes") de S82-, S62- et S3--.

Par conséquent, l'attraction de Coulomb de Mg2+ est plus forte que celle des cations Li+, ce qui entraîne une disproportion plus prononcée du polysulfure dans les électrolytes de Mg. Parallèlement, dans le cas de la coordination Li+, la dissociation de S62- et S3-- est observée comme étant plus favorable.

Réaction de dismutation：

Réaction de dissociation：

Les solvants éthers tels que le tétrahydrofurane (THF), le DME et le tétraglyme (TEGDME) couramment utilisés dans les piles au LSB et au sulfure de magnésium ont des interactions relativement faibles avec les cations, ce qui se traduit par des interactions cation-polysulfure assez fortes. Cela facilite la disproportion des polysulfures à faible densité de charge avec le soufre et les espèces à forte densité de charge.

Dans l'éther, on a observé que les polysulfures de lithium Li2S8 stœchiométriques synthétisés chimiquement se disproportionnent en espèces S42- et S3--, tandis que dans des solutions équivalentes de polysulfures de magnésium, on a observé que ces espèces se disproportionnent davantage en paires UV/Vis. Les substances insensibles au spectre (UV/Vis) telles que MgS2.

Les polysulfures de magnésium sont également beaucoup moins solubles que leurs homologues de lithium en raison des interactions électrostatiques plus importantes entre les cations Mg2+ et les anions polysulfures. Par exemple, dans le THF, le DME et le TEGDME, la solubilité des polysulfures de magnésium préparés chimiquement dans la stœchiométrie MgS8 est inférieure à 100 mM, tandis que la stœchiométrie Li2S8 dans la stœchiométrie Li2S8 se dissout dans 6 M de TEGDME.

Voie de réaction dépendante des cations

En fonction de la stabilité des polysulfures dans les électrolytes contenant du Li+ et du Mg2+, les réactions de décharge des cathodes S dans la batterie LSB et la batterie au soufre de magnésium sont également différentes. Les équations 5-8 résument toutes les étapes potentielles de cette réaction.

Dans les électrolytes à base d'éther contenant du Li+, la réduction électrochimique du soufre passe par la formation de S42- (étapes 1-2) et de S22- (étape 3), tandis que dans les électrolytes contenant du Mg2+, la réduction du soufre tend à se faire directement par des intermédiaires S22- (étapes 1-3).

Figure 3 : Courbes de cyclage des batteries Li-S et magnésium-soufre et comportement électrochimique des solutions de polysulfure de Li et de Mg. Pendant la décharge galvanostatique des cellules LSB, la formation de S42- (étape 1-2) et S22- (étape 3) est représentée par deux plateaux de tension distincts (Fig. 3a), respectivement.

Dans les piles au magnésium et au soufre, la tendance à la réduction directe du soufre en S22- (étapes 1-3) est généralement représentée par un seul plateau de tension. Cependant, dans plusieurs études, un seul plateau de tension a été précédé d'une lente chute de tension (Fig. 3b) et même deux plateaux de tension distincts ont été signalés.

Comme pour le LSB, ces résultats indiquent la formation d'intermédiaires de S42- (étapes 1-2) et leur réduction en S22- (étape 3). Outre le fait que différents profils de tension de décharge des piles au magnésium et au soufre sont rapportés pour différents électrolytes, il a été constaté que la voie de réduction du soufre en S22- dépend des interactions cation-polysulfure dépendant du solvant, c'est-à-dire de la composition de la recombinaison carbone/soufre (C/S) positive et de la vitesse de décharge appliquée.

Dans la dernière étape de la réaction de décharge, le S22- précipité est réduit en espèces S2- (étape 4). Alors que cette étape commence avec une tension relativement constante dans les LSB, les piles au soufre de magnésium montrent une chute immédiate de la tension de la cellule jusqu'à ce qu'une tension de coupure plus faible soit atteinte.

Pendant la charge, les cellules LSB ont tendance à présenter deux plateaux de tension, correspondant à la formation de polysulfures intermédiaires et à leur oxydation ultérieure en soufre. En revanche, les piles au magnésium et au soufre ne présentent généralement qu'un seul plateau de tension. Cela indique une tendance plus faible à la formation d'intermédiaires polysulfurés pendant la charge.

Des différences dépendantes des cations dans le comportement électrochimique des cathodes de soufre ont également été observées lors d'expériences de voltampérométrie cyclique de solutions de polysulfure contenant du Li+ ou du Mg2+.

Alors que la réduction du soufre passe par la formation de S42- et S22- dans les solutions Li2S8 et LiTFSI dans le DME, une réduction directe en S22- a été observée dans les solutions MgS8/MgTFSI2 dans le DME (Fig. 3c).

Afin d'évaluer la haute tension pour la première étape de la réaction de décharge et de permettre une oxydation progressive pendant la charge, la formation d'espèces de polysulfure de magnésium doit être stabilisée. Comme cette stabilité est déterminée par l'interaction électrostatique des cations de l'électrolyte avec les anions de polysulfure, elle peut être réglée par une coordination efficace des cations dans le solvant.

Dans les solvants ayant des constantes diélectriques relatives élevées, tels que le diméthylsulfoxyde (DMSO) ou le diméthylformamide (DMF), une plus grande solubilité et une moindre disproportion des polysulfures de lithium et de magnésium ont été observées. Par conséquent, la réduction du soufre dans les électrolytes de Li et de Mg passe par la formation d'espèces S82-/S62- à faible densité de charge (étape 1) et d'espèces S42-/S32- à forte densité de charge (étape 2 ; Fig. 3d).

Bien que l'on pense que ces solvants spéciaux passivent les anodes de magnésium, les résultats illustrent l'effet bénéfique d'une coordination plus forte des solvants.

Surpotentiel, capacité de décharge et réversibilité

Le LSB présentait typiquement une tension moyenne d'environ 2,1 V pendant la décharge, tandis que la tension moyenne observée pendant la charge était de 2,3 V. En raison du surpotentiel relativement faible de l'anode lithium-métal, cette hystérésis de tension correspond presque exactement au surpotentiel de la réaction de conversion de la cathode à soufre.

Par conséquent, le potentiel de la cathode de soufre par rapport à l'électrode de référence Li│Li+ correspond largement à la tension détectée dans une cellule Li-S à deux électrodes. En revanche, la tension dans les éléments de batterie au soufre magnésien varie considérablement du potentiel à la cathode de soufre en raison du surpotentiel plus élevé à l'anode de Mg.

Le potentiel moyen de l'électrode positive S était de 1,4-1,5 V pendant la décharge et de 1,8-1,9 V pendant la charge lorsqu'il était mesuré par rapport à l'électrode de référence Mg│Mg. Par conséquent, les réactions de charge et de décharge des cathodes S dans les piles au sulfure de magnésium ont tendance à se dérouler à des surpotentiels beaucoup plus élevés que les LSB.

Dans les deux systèmes, un contact électronique insuffisant du soufre dans/avec la structure hôte du carbone conduit à des surtensions pendant la décharge. La sursaturation des espèces de polysulfure avant la nucléation des espèces solides S22- et S2- (étapes 2 et 3) serait également responsable de la surtension des piles au magnésium et au soufre.

Étant donné que la sursaturation des polysulfures de lithium en phase liquide peut réduire la capacité de décharge ou interrompre complètement le processus de décharge, le LSB nécessite une grande quantité d'électrolyte, généralement exprimée par le rapport E:S. Les piles au sulfure de magnésium peuvent atteindre une sursaturation locale plus rapidement en raison de la faible solubilité des polysulfures de magnésium. C'est peut-être la raison pour laquelle elles sont généralement étudiées avec un rapport E:S de 60:1 ou plus.

Dans la dernière étape de la réaction de décharge, le surpotentiel est attribué à la cinétique lente de la transformation de Li2S2/MgS2 amorphe en Li2S/MgS cristallin (étape 4).

Le surpotentiel est amplifié par un contact électronique insuffisant du sulfure, qui provient également de l'expansion du volume pendant la conversion du soufre en Li2S (181%) et MgS (171% dans la wurtzite et 133% dans la structure du sel gemme), ce qui donne Li2S. Il a une mauvaise conductivité avec Li+ ou Mg2+ de MgS.

Bien que controversée, la surtension qui se produit est considérée comme un obstacle à la décharge complète de la cathode S. Pour maintenir un degré élevé de contact électronique avec le soufre et les sulfures, la matière active est intégrée dans une structure hôte en carbone à surface élevée.

Comme pour les électrolytes, la grande quantité de structure de carbone favorise une capacité de décharge élevée par masse de soufre. Inversement, lorsque l'on considère l'ensemble de la cathode composite, la capacité spécifique est affectée négativement par la grande quantité de carbone.

Pendant le processus de charge, la barrière d'activation importante pour la réoxydation de Li2S/MgS correspond à un surpotentiel important et conduit facilement à une réaction de charge incomplète. Par conséquent, limiter le processus de décharge au MgS2 peut réduire considérablement le surpotentiel et améliorer la réversibilité de la cathode S.

En raison de l'interaction électrostatique plus élevée du Mg2+ divalent avec les anions sulfure, la formation d'intermédiaires polysulfure n'est pas aussi favorable que dans le cas des cations Li+ monovalents, de sorte que le surpotentiel pendant la charge est plus prononcé dans le cas de la batterie au magnésium et au soufre.

Par conséquent, l'ajout de Li+ à l'électrolyte contenant Mg2+ peut réduire le surpotentiel pendant la charge et améliorer la réversibilité globale de la cathode S.

De même, on peut montrer que dans le cas de l'oxydation de solutions de polysulfure de Li et de Mg préparées chimiquement, des interactions cation-polysulfure plus fortes dans les électrolytes contenant du Mg conduisent à des surpotentiels plus élevés lors de leur oxydation en soufre que ceux des électrolytes contenant du Li Surpotentiels observés dans les électrolytes (Fig. 1).

En revanche, dans les solvants à constante diélectrique élevée tels que le DMSO, la complexation efficace des cations Mg2+ dans le solvant réduit les interactions cation-polysulfure et réduit le potentiel d'oxydation des polysulfures (Fig. 3d).

Étant donné que l'interaction cation-polysulfure peut également être affaiblie en remplaçant Mg2+ par des espèces MgxClyz+, les résultats préliminaires montrent que le potentiel d'oxydation des espèces polysulfure est réduit si seules des solutions à base de MgTFSI2/MgCl2 sont utilisées pour remplacer les électrolytes contenant du MgTFSI2.

Par conséquent, la complexation appropriée des cations Mg2+ par les solvants de l'électrolyte et/ou les ligands est considérée comme une approche clé pour réduire le surpotentiel des cathodes de soufre dans les piles au sulfure de magnésium.

Dans une autre approche, il a été démontré que la présence de métal Cu à la cathode S conduit à des surpotentiels plus faibles et à une rétention de capacité plus élevée. La formation de CuS a donc été observée. Pendant la décharge en présence de Mg2+, le CuS est réduit en Cu et MgS, tandis que le CuS se forme à nouveau pendant la charge.

Après des cycles répétés, la réactivité du Cu transforme en fait la cathode S en une cathode CuS. C'est pourquoi ces systèmes ne sont pas considérés dans le présent document comme des piles au sulfure de magnésium.

En outre, bien que ce système présente un surpotentiel inférieur à celui de la conversion de S en MgS, la capacité spécifique théorique de cette cathode CuS (561 mAh g-1) est trois fois inférieure à celle de la cathode S (1672 mAh g-1).

Diffusion du polysulfure et réaction de l'anode métallique

Parmi les batteries LSB et les batteries au sulfure de magnésium, les cathodes S ont tendance à présenter un affaiblissement significatif de la capacité lors des cycles. Outre la formation irréversible possible de Li2S/MgS, l'affaiblissement de la capacité est également lié à la diffusion du soufre et des polysulfures dissous dans l'électrolyte.

Si elles atteignent l'anode métallique, la décomposition réductrice de ces espèces conduit à la perte de matière active à l'anode. Bien que toujours affectée, l'anode métallique Li peut être fondamentalement protégée par le SEI. Inversement, la formation d'une couche de MgS sur l'anode de Mg non protégée peut conduire à sa passivation.

Si le soufre ou les polysulfures à faible densité de charge (par exemple, S62-, S82-) ne sont que partiellement réduits en polysulfures à densité de charge plus élevée (par exemple, S42-), ces espèces peuvent rediffuser vers l'électrode positive pour être régénérées par oxydation.

Ce mécanisme de navette redox correspond au courant secondaire à l'intérieur de la batterie, en particulier pendant la charge. Bien que bien connus dans les LSB, ces phénomènes apparaissent également dans les analogues au Mg. Cette réaction secondaire peut être moins prononcée dans les batteries au sulfure de magnésium en raison de la faible solubilité des polysulfures de magnésium.

Dans le cadre de la recherche LSB, de nombreux additifs et structures de carbone poreux ont été étudiés afin d'empêcher la diffusion du soufre et des polysulfures dissous dans l'électrolyte. Nombre de ces structures s'appliquent également aux piles au magnésium et au soufre.

En outre, il a été démontré que la diffusion des polysulfures dans les électrolytes peut être réduite en modifiant les séparateurs et les électrolytes à base de polymères gélifiés.

Toutefois, outre l'application des mêmes matériaux que ceux mis au point pour retenir les polysulfures de lithium, les études futures sur les piles au sulfure de magnésium pourraient exploiter la forte attraction électrostatique des cations Mg2+ pour les attacher aux groupes fonctionnels des structures de carbone.

Pour le LSB, au moins trois méthodes alternatives ont été étudiées pour inhiber la dissolution et la formation de polysulfures :

(i) en ajoutant des co-solvants fluorés, en utilisant de petites quantités d'électrolytes solvatés ou en utilisant des électrolytes dits "solvant dans le sel" (liquides ioniques solvatés),

(ii) éviter l'interphase électrolytique dissoute (CEI) des polysulfures en imprégnant le soufre dans des micropores plus étroits pour les molécules de solvant ou en fermant les pores à l'aide de cathodes semi-perméables,

(iii) éviter la formation d'intermédiaires polysulfurés en utilisant des électrolytes céramiques tels que des verres à base de sulfure. Étant donné que toutes ces méthodes augmentent le surpotentiel de la cathode au soufre, on pense qu'elles augmentent encore le surpotentiel de la cathode au S dans la batterie au magnésium et au soufre.

En raison de la faible solubilité des polysulfures de magnésium, l'étude actuelle sur les piles au sulfure de magnésium aurait pu être similaire à la première méthode. Cependant, les deuxième et troisième approches seront confrontées à la faible mobilité du Mg2+ dans les solides.

Performance et coût d'une batterie au lithium-soufre par rapport à une batterie au magnésium-soufre

Dans les batteries LSB et magnésium-soufre, les différentes propriétés des deux anodes métalliques et de la cathode de soufre dans les électrolytes à base de Li+ ou de Mg2+ se reflètent dans les paramètres de performance globale de la batterie, tels que la capacité de charge et de décharge, l'efficacité de la tension et la durée de vie du cycle.

Cette section fournit une comparaison directe de plusieurs paramètres de performance clés des batteries LSB actuelles et des batteries au soufre de magnésium. Elle montre comment la surtension élevée de la batterie au soufre de magnésium est liée à une faible efficacité de la tension, ce qui entraînera des coûts d'exploitation élevés.

Le reste de cette section présente des estimations de la densité énergétique et du coût des matériaux de la batterie LSB et de la batterie au sulfure de magnésium au niveau de l'empilement pratique.

La densité énergétique réelle réalisable des batteries au sulfure de magnésium est bien inférieure à celle des LSB, et pourrait même ne pas dépasser celle des LIB de pointe. Il est en outre souligné que la réalisation de surtensions plus faibles et de rapports E:S très bas pendant la charge et la décharge est nécessaire pour être plus économique que les batteries à électrolyte liquide.

Performance

Figure 4 : Caractéristiques et paramètres de performance des batteries LSB et des batteries au sulfure de magnésium les plus récentes.

La figure 4 donne un aperçu d'une série de caractéristiques et de paramètres de performance des batteries couramment présentés dans la littérature. Dans cette comparaison, il est important de noter que la première décharge et charge réversible de cathodes au soufre dans des électrolytes au magnésium n'a été démontrée qu'en 2011, alors que les LSB sont étudiées depuis les années 1960.

Dans la figure 4, ce chiffre est largement basé sur les valeurs du résumé systématique de Chung et Manthiram de la littérature sur les batteries LSB et les batteries au soufre de magnésium, avec un nombre beaucoup plus faible de publications. Ainsi, une comparaison de la littérature actuelle correspond à l'état de la recherche sur les batteries LSB et les batteries au soufre de magnésium, mais n'indique pas nécessairement leur potentiel futur.

Comme décrit dans les sections précédentes, la stabilité des anodes métalliques en Mg utilisant des électrolytes courants (exprimée en termes de réversibilité de Coulomb allant jusqu'à 99,9%) est beaucoup plus élevée que celle généralement observée pour les anodes métalliques en Li. En même temps, bien qu'elle ne soit pas exempte de dendrites dans toutes les conditions, la morphologie du dépôt de Mg tend à être plus uniforme que celle observée pour le Li.

Cependant, lorsque le surpotentiel intervient, l'anode de Mg métal et la cathode de soufre dans l'électrolyte de Mg présentent des valeurs significativement plus élevées que celles observées avec le LSB. Au niveau de la batterie, l'hystérésis entre la tension de décharge moyenne de 1,3V et la tension de charge moyenne de 2,0V se traduit par un rendement en tension de seulement 65%.

Pour la LSB, le rapport entre la tension moyenne de 2,1 V pendant la décharge et la tension moyenne de 2,3 V pendant la charge permet d'atteindre des rendements en tension aussi élevés que 91%. Lorsqu'il est multiplié par le rendement coulombien, y compris la perte de capacité pendant la charge et la décharge, le rendement énergétique obtenu correspond à une valeur inférieure.

Au cours d'un fonctionnement à long terme, le très faible rendement énergétique des piles au sulfure de magnésium actuelles peut se traduire par des pertes d'énergie importantes, notamment par rapport aux piles LIB à haut rendement énergétique, mais aussi par rapport aux piles LSB, ce qui se traduira par des coûts d'exploitation plus élevés.

La figure 4 montre en outre comment la capacité de décharge et la réversibilité plus faibles des cathodes de soufre dans les piles au soufre de magnésium se reflètent dans les performances globales de la pile. Tout d'abord, l'utilisation du soufre, c'est-à-dire la capacité de décharge de la cathode, exprimée en termes de soufre par masse de soufre (mAh gS-1), est liée à la capacité théorique du soufre, rapportée dans l'étude actuelle sur les batteries au soufre de magnésium, et est généralement significativement inférieure à celle observée dans la littérature sur le LSB.

Deuxièmement, on observe que la capacité de la cathode de soufre diminue plus rapidement dans les piles au soufre de magnésium. Alors que dans les électrolytes à base de Li, des cycles allant jusqu'à 1000 ont été démontrés dans de nombreuses publications, le fonctionnement réversible des cathodes S n'a été démontré jusqu'à présent que dans les électrolytes à base de Mg pour une centaine de cycles.

En outre, les études sur les batteries au soufre de magnésium n'ont montré que des taux de charge et de décharge compris entre 0,01 C et 0,1 C, alors que les taux de charge et de décharge du LSB ont dépassé 1 C. Enfin, comme mentionné ci-dessus, le rapport E:S dans l'étude sur les batteries au soufre de magnésium est de 60:1 ou plus, alors que le LSB, avec un rapport E:S inférieur à 3:1, a fait preuve d'un fonctionnement stable.

Capacité

Pour la capacité des batteries LSB et au soufre de magnésium pratiques, il faut non seulement la cathode S pour atteindre la capacité de décharge réversible (exprimée en mAhgS-1) et la tension de décharge moyenne globale, mais aussi le poids et le volume de tous les matériaux inactifs. "

Étant donné que le Li, le Mg et le S sont des matériaux actifs assez légers, le poids de l'électrolyte en vrac, du collecteur de courant et de la structure hôte en carbone a un effet beaucoup plus important sur l'énergie spécifique totale des batteries LSB et des batteries au sulfure de magnésium pratiques. C'est le cas, par exemple, avec les batteries LIB ou les batteries à l'état solide (SSB).

Par exemple, avec un rapport E:S de 3:1, les cellules de batteries LSB et au soufre de magnésium pratiques ne peuvent atteindre qu'environ 11% de l'énergie spécifique théorique, tandis que dans le cas des cellules LIB ou SSB pratiques, 43% et 36%, respectivement Énergie spécifique théorique. En raison de l'évanouissement de la capacité et de la durée de vie des différentes compositions de batteries, la capacité peut évoluer différemment au cours du cyclage.

Figure 5 : Estimation de l'énergie spécifique et du coût de la batterie LSB et de la batterie au sulfure de magnésium

La figure 5a-c illustre comment l'énergie spécifique de la batterie LSB et de la batterie au soufre de magnésium est déterminée par le rapport E:S (mLgS-1) et la charge de soufre sur l'électrode (mgcm-2). Dans le cas des piles au soufre de magnésium, la tension de décharge moyenne de 1,3 V couramment observée est comparée à des cellules ayant une tension de décharge moyenne supposée de 1,7 V, qui peut être réduite par une marge importante à l'anode de Mg et à la cathode de S.

Pour le LSB, une tension de décharge moyenne de 2,1 V a été utilisée. Les valeurs indiquées correspondent au niveau du bloc-batterie et n'incluent donc pas le poids des blocs souples, des boîtiers prismatiques ou cylindriques. À titre de comparaison avec la capacité des piles à lithium-ion les plus récentes.

En ce qui concerne l'énergie spécifique estimée de la batterie graphite-lithium nickel cobalt oxyde d'aluminium (NCA), bien qu'elle présente une énergie spécifique similaire à celle de la batterie graphite-lithium nickel manganèse cobalt oxyde (NMC811), la capacité de la batterie graphite-NCA est supérieure à celle de la batterie NMC622 ou NMC111.

Selon la méthode de Betz et al, un composite S/C avec une teneur en soufre de 70 wt.% et une capacité de décharge de 1200 mAh gS-1 a été supposé être utilisé à l'électrode positive. Ici, une épaisseur de cathode typique de 100 µm correspond à une charge de soufre de 5,8 mg cm-2. Ces hypothèses sont considérées comme optimistes, en particulier pour les piles au magnésium et au soufre. Pour les anodes en Li, un excès de 100% Li a été considéré pour compenser la réaction avec l'électrolyte, tandis que pour les anodes en Mg, moins réactives, aucun excès n'a été calculé.

Par conséquent, les LSB avec des rapports E:S de 3:1 et 2:1 ont fourni 394 Wh kg-1 et 467 Wh kg-1 à une teneur en soufre de 5,8 mgcm-2, respectivement (figure 5a). En calculant le poids du boîtier de la batterie 18650, ces valeurs sont réduites à 283 Wh kg-1 et 339 Wh kg-1 si le rapport E:S du LSB est de 3:1 et 2:1, respectivement.

Sur la base d'un ensemble d'hypothèses, correspondant à une énergie spécifique de 314 Wh kg-1 au niveau de la batterie graphite-NCALIB et de 264 Wh kg-1 au niveau de la cellule. En conclusion, les cellules 18650LSB avec des rapports E:S de 3:1 et 2:1 dépasseront de manière significative la capacité des cellules graphite-NCA.

En raison du poids volumétrique élevé du boîtier de l'accumulateur 18650 par pack d'accumulateurs, l'utilisation d'éléments en pochette se traduira par des LSB ayant une énergie spécifique plus élevée. Toutefois, contrairement aux boîtiers d'accumulateurs rigides, les piles à poche ne permettent pas un excès d'électrolyte liquide qui les empêcherait de perdre leur forme et leur stabilité.

Les piles au sulfure de magnésium ont généralement observé des tensions de décharge de 1,3 V ou moins et des rapports E:S de 60:1 ou plus, ce qui correspond à des valeurs d'énergie spécifique de 23 Wh kg-1 ou moins. Cependant, pour les faibles rapports E:S de 3:1 et 2:1, des énergies spécifiques de 235 Wh kg-1 et 282 Wh kg-1 seraient atteintes pour une charge de soufre de 5,8 mg cm-2 (Fig. 5b).

Dans une batterie 18650, ces valeurs correspondent à des capacités de 178 Wh kg-1 et 217 Wh kg-1. Même pour un rapport E:S aussi faible, la batterie au sulfure de magnésium présenterait donc une énergie spécifique inférieure à celle du graphite-NCALIB.

En revanche, les batteries au soufre de magnésium avec des rapports E:S de 3:1 et 2:1 peuvent atteindre 308 Wh kg-1 et 369 Wh kg-1 au niveau du pack (Fig. 5c) et 18650 en supposant une tension de décharge moyenne de 1,7 V. 233 Wh kg-1 et 284Wh kg-1 dans la batterie. Pour le LSB, l'énergie spécifique de cette batterie au sulfure de magnésium est considérée comme plus élevée dans le cas des cellules à poche.

Cependant, comme cela a été démontré au niveau des batteries, les batteries au sulfure de magnésium nécessitent des surtensions fortement réduites et des rapports E:S très faibles pendant la décharge pour atteindre des énergies spécifiques similaires, voire supérieures, à celles du graphite-NCALIB.

Coût

Le rapport E:S et le coût des matériaux par kWh associés à la charge de soufre ont également été estimés sur la base de l'énergie spécifique de la batterie LSB et de la batterie au soufre de magnésium au niveau du pack. Pour les électrolytes Li et Mg, on suppose que le coût est le même que celui d'un électrolyte à base de LiPF6 de 1,2 M dans BatPaC (15$ L-1).

Les anodes de magnésium, en particulier, nécessitent des solutions électrolytiques spécifiques de haute pureté. Selon l'USGS, le prix du soufre est de 0,05 $ kg-1 et le prix du magnésium métallique est de 5,2 $ kg-1.

Par rapport au Mg, la forte réactivité à l'air et à l'humidité et l'adhérence du lithium métal à l'équipement de production sont censées entraîner des coûts de production plus élevés pour le lithium métal, en particulier dans le cas de feuilles minces (par exemple 67 µm pour 200 µm). La charge en soufre de % est de 5,8 mg cm-2 pour la capacité cathodique.

Comme pour les estimations combinées des coûts des technologies LIB et SSB par Schmuch et al, dans cette étude, une estimation de prix inférieure de 250$ kg-1 a été comparée à une estimation de prix supérieure de 1000$ kg-1. En revanche, pour le Mg, on suppose que la production de feuilles minces (par exemple, 19 µm pour une capacité cathodique de 100% avec une charge de soufre de 5,8 mgcm-2) n'augmente pas le coût de manière significative.

Dans la figure 5d-f, les prix des matériaux des batteries LSB et des batteries au sulfure de magnésium sont comparés aux fourchettes de coûts (au niveau du bloc-batterie) de plusieurs technologies LIB actuellement étudiées. Alors qu'elles correspondent à des valeurs plus élevées de ≈80 kWh pour les cellules graphite-NMC622, les cellules NMC Si/graphite-Li et riches en Mn représentent des valeurs plus basses de ≈50 kWh.

Pour le LSB, estimation à faible coût du métal Li, le coût des matériaux d'un bloc-batterie avec une teneur en soufre de 5,8 mg cm-2 et un rapport E:S de 2:1 à 3:1 est estimé à 87-93 $kWh-1, si le coût élevé est estimé à 272-278$ kWh-1 (Fig. 5d).

Alors que la cathode C/S ne contribue que pour 1,30 $kWh-1, l'anode en lithium métal contribue pour 62 $kWh-1 à un coût de lithium aussi bas que 250 $kg-1. Pour une estimation de coût élevée de 1000 $ kg-1, le pôle négatif seul équivaudrait à un coût de 247 $ kWh-1.

Pour des rapports E:S de 2:1 à 3:1, le coût de l'électrolyte est de 12 ~ 18 $kWh-1, tandis que le coût total des autres matériaux inactifs est de 13 $kWh-1.

Par conséquent, le faible coût des matériaux d'électrode en magnésium et en soufre se reflète à peine dans le coût total des matériaux par kWh. D'une part, il s'agit d'une énergie spécifique relativement faible au niveau de la batterie au magnésium et au soufre. D'autre part, l'avantage en termes de coût diminue avec l'utilisation de grandes quantités de matériaux inactifs dans les batteries au magnésium et au soufre par rapport aux matériaux actifs dans les piles à lithium-liquide.

Si l'on inclut le coût des autres matériaux inactifs (tels que le boîtier de la batterie) et le coût de production de la batterie, un prétraitement et un environnement extrêmement propre peuvent être nécessaires pour éviter la passivation de l'anode en magnésium métallique, l'avantage en termes de coût des matériaux d'électrode en magnésium et en sulfate de sodium sera encore réduit.

Rapport E:S acceptable dans les piles au sulfure de magnésium

Si l'on considère que l'étude actuelle sur les batteries au magnésium et au soufre a été menée avec un rapport E:S de 60:1 ou plus, cela correspond à une densité énergétique pratique de 30 kWh kg-1 ou moins (figure 5b). Le défi consistant à réduire le rapport de masse de l'électrolyte à 3:1 ou même 2:1 est énorme.

Par exemple, d'un point de vue moléculaire, le rapport entre chaque gramme de soufre et 3 ml de DME équivaut à environ 1 molécule de solvant par atome de soufre, ou 4 molécules de solvant par espèce S42.

En d'autres termes, 1 g de soufre par 3 ml de solvant correspond à des concentrations de S42- ou S82- de 2,6 M et 1,3 M, respectivement. Alors que pour Li2S8, une solubilité de 6 M a été observée dans le TEGDME, par exemple, la solubilité de MgS8 dans le THF, le DME et le TEGDME était inférieure à 100 mM.

Pour obtenir des batteries au sulfure de magnésium avec une énergie spécifique similaire et un coût inférieur à celui des batteries à faible émission, il faut mettre au point des formulations d'électrolyte avec une solubilité beaucoup plus élevée des polysulfures de magnésium.

Perspectives pour la batterie au sulfure de magnésium

Après des études préliminaires sur des électrolytes à base de HMDSMgCl/AlCl3 et de MgHMDS2/MgCl2/AlCl3 (HMDS=hexaméthyldisilazide), le phénomène réversible des batteries magnésium-soufre est également démontré dans des électrolytes à base de 2 (RF = groupes alkyles fluorés) dans MgCl2/AlCl3, MgTFSI2/MgCl2 et Mg[B(ORF)4].

Entre-temps, plusieurs composites soufre/carbone connus des LSB ont été appliqués avec succès dans des études sur les batteries magnésium-soufre, et les processus électrochimiques pendant le processus de charge-décharge des cathodes S dans les électrolytes de magnésium ont été étudiés.

Cependant, d'un point de vue critique, le document affirme qu'il reste encore un long chemin à parcourir pour développer la technologie de pointe des batteries au sulfure de magnésium en une technologie de batterie pratique.

Premièrement, en raison de l'hystérésis de tension élevée pendant la charge (2,0 V) et la décharge (1,3 V), l'efficacité courant-tension de charge et de décharge de la batterie au soufre de magnésium sera inférieure à celle de 65%, ce qui se traduira par une efficacité moindre. Deuxièmement, en raison de cette hystérésis et du rapport E:S élevé de 60:1 ou plus, la densité énergétique des batteries au sulfure de magnésium actuelles sera aussi basse que 23kWh kg-1 aux niveaux pratiques des packs de batteries.

Pour améliorer la tension et l'efficacité et porter le contenu énergétique pratique des batteries au soufre de magnésium à un niveau comparable à celui des piles à lithium-ion, les études futures devraient se concentrer sur les méthodes discutées ci-dessous. Le principal axe de recherche devrait être consacré à la conception de l'électrolyte.

En priorité, les études sur les batteries magnésium-soufre devraient se concentrer sur la réduction des surpotentiels des deux électrodes. À l'anode de Mg, les surpotentiels d'électrodéposition et de dissolution peuvent être améliorés en abaissant la forte barrière de désolvatation de Mg2+, par exemple en complexant Mg2+ avec des espèces de Cl.

En même temps, les impuretés réductibles dans l'électrolyte doivent être éliminées par le prétraitement de l'électrolyte, comme l'utilisation de substances réductrices telles que Bu2Mg14,20, afin d'éviter la formation d'une pellicule à la surface de l'électrode. Pour le comportement de la batterie sans réglage, l'électrolyte doit être préparé avec une stœchiométrie idéale.

À la cathode S, le surpotentiel de la cathode S pendant la décharge et la charge dans l'électrolyte Mg peut être amélioré en réduisant l'interaction électrostatique Mg2+-polysulfure et en stabilisant la formation de polysulfures de Mg.

Bien qu'ils soient instables sur les anodes de Mg, la plus grande stabilité des polysulfures de Mg peut être démontrée dans des solvants à constante diélectrique élevée tels que le DMSO et le DMF pour augmenter le potentiel de décharge moyen en exploitant la formation de polysulfures intermédiaires.

Pendant la charge, la formation intermédiaire de polysulfures réduit le surpotentiel d'oxydation du MgS en soufre. De même, le surpotentiel de la cathode S varie en fonction des différents éthers et peut être réduit davantage en complexant les cations Mg2+ avec des espèces Cl.

Deuxièmement, afin d'atteindre des valeurs d'énergie spécifique pratiques comparables à celles des LIB, la recherche sur les batteries au sulfure de magnésium devrait se concentrer sur l'obtention de rapports E:S extrêmement faibles. Comme indiqué dans ce point de vue, les polysulfures de magnésium sont beaucoup moins solubles dans les éthers courants que les polysulfures de lithium et, en fin de compte, ne dissolvent pas les polysulfures en quantités suffisantes à un rapport E:S de 3:1.

Par conséquent, la recherche sur les batteries au sulfure de magnésium devrait se concentrer sur le développement d'électrolytes présentant une plus grande solubilité des polysulfures de magnésium. Dans le même temps, cette méthode ne doit pas favoriser la diffusion des polysulfures vers l'anode de Mg afin d'éviter la formation de films de passivation.

Par conséquent, la recherche sur les piles au sulfure de magnésium devrait se concentrer sur de nouvelles méthodes pour ancrer ou confiner les espèces de polysulfure de magnésium dissoutes dans ou sur la structure de la cathode. Contrairement aux études LSB, la forte interaction électrostatique de Mg2+ avec les groupes de surface peut ouvrir la voie à de nouvelles stratégies.

Enfin, le niveau de préparation technologique (TRL) doit être pris en compte. La LIB est une technologie de référence à haute densité énergétique établie sur différents marchés, tandis que la LSB arrive actuellement sur le marché et que les batteries au sulfure de magnésium en sont à un stade de recherche très fondamental, de sorte que les batteries au lithium-ion sont utilisées dans de nombreux scénarios tels que batteries de voiturettes de golf au lithium, batterie de skateboard électrique.ect.

Bien que la densité énergétique spécifique des batteries au soufre de magnésium pratiques puisse encore être inférieure à celle des batteries LIB et LSB, il est trop tôt pour dire si les batteries au soufre de magnésium peuvent être développées en tant qu'alternatives plus économiques et durables à ces technologies.

Contrairement aux piles LIB et LSB, les piles au sulfure de magnésium sont tout à fait compétitives en termes de coût des matériaux d'électrode, de ressources abondantes et de matériaux actifs plus respectueux de l'environnement. Ces systèmes présentent un grand intérêt pour l'intégration plus durable des énergies renouvelables dans le réseau.