Une étude fournit de nouvelles orientations pour la conception de batteries sodium-ion, qui apparaissent comme un complément moins coûteux et plus respectueux de l’environnement aux batteries au lithium.

Batterie – photo d’illustration. Crédit image : Pixabay (Licence gratuite Pixabay)

À mesure que les besoins mondiaux en matière de stockage d’énergie augmentent, les batteries sodium-ion apparaissent comme un complément moins coûteux et plus respectueux de l’environnement aux batteries au lithium. Les recherches menées par les ingénieurs de l’Université Brown apportent un nouvel éclairage sur le comportement du sodium à l’intérieur de ces batteries, en fournissant de nouvelles spécifications de conception pour les matériaux d’anode qui maximisent la stabilité et la densité énergétique des batteries sodium-ion.

« Ce travail nous aide à comprendre le mécanisme de stockage du sodium dans les matériaux carbonés des batteries sodium-ion », a déclaré Lincoln Mtemeri, chercheur postdoctoral présidentiel en ingénierie à Brown qui a dirigé l’étude. « Cela fournit quelques lignes directrices pour synthétiser les matériaux d’anode souhaités pour ces batteries qui maximisent les performances globales. »

La recherche est publiée dans Piles EES.

Les batteries lithium-ion représentent actuellement la part du lion des appareils électroniques rechargeables et des véhicules électriques. Ils fonctionnent bien, mais la demande croissante de stockage d’énergie, notamment pour accroître la résilience des réseaux électriques, nécessite des options supplémentaires. Le sodium-ion offre une alternative avec des avantages potentiels majeurs. Le sodium est bon marché et abondant, ce qui pourrait réduire les coûts de production et la nécessité d’une exploitation minière destructrice.

Cependant, la commercialisation des batteries sodium-ion en est à ses balbutiements et les chercheurs sont encore en train de peaufiner la conception de base. Une question en suspens est de savoir quelle structure matérielle fonctionne le mieux comme anode sodium-ion – le côté de la batterie qui stocke les atomes de sodium pendant la charge. Les anodes lithium-ion sont généralement constituées de graphite, mais des recherches ont montré que le graphite est peu performant pour le stockage du sodium. Les scientifiques se sont donc tournés vers le « carbone dur », un matériau qui peut être fabriqué en chauffant un certain nombre de matériaux contenant du carbone, du bois au sucre.

« Si vous demandez à 10 personnes différentes quelle est la structure du carbone dur, vous obtiendrez 10 réponses différentes », a déclaré Yue Qi, professeur à la Brown’s School of Engineering et co-auteur de l’étude. « Les structures ambiguës constituent un problème majeur pour la conception des matériaux d’anode en raison du manque de connaissances sur la relation structure-propriété. »

Qi est directeur adjoint de Brown’s Initiative pour l’énergie durable, qui se concentre sur le développement des énergies renouvelables, des carburants et matériaux durables et des technologies d’efficacité énergétique.

Des recherches antérieures suggèrent que le stockage du sodium se produit probablement dans de minuscules pores qui se forment dans des structures carbonées dures. Mais on ne savait pas exactement comment ce stockage s’effectuait – ni comment la taille des pores pourrait l’améliorer. Pour cette nouvelle étude, Mtemeri a étudié un matériau carboné appelé carbone à base de zéolite (ZTC), qui peut être fabriqué avec un réseau bien défini de nanopores. En utilisant le ZTC comme modèle pour la structure des pores du carbone dur et un algorithme personnalisé pour simuler le remplissage des pores, Mtemeri a utilisé une technique informatique appelée théorie fonctionnelle de la densité pour étudier le comportement du sodium dans les nanopores.

La recherche a montré que lorsque les atomes de sodium gravitent dans les pores, ils tapissent d’abord les parois de chaque pore avec des liaisons ioniques. Une fois les parois recouvertes, des atomes de sodium supplémentaires remplissent le milieu des pores sous forme d’amas métalliques. Les deux modes de stockage du sodium – ionique le long des parois et métallique vers le centre des pores – sont essentiels, affirment les chercheurs. Le mélange de sodium ionique et métallique aide à maintenir la tension anodique basse, ce qui augmente la tension globale de la batterie (la tension globale d’une batterie est égale à la tension cathodique moins la tension anodique, donc une tension anodique plus faible est préférable). Pendant ce temps, le sodium ionique empêche le placage métallique de sodium, une condition qui peut créer des courts-circuits entre les pores de l’anode.

« Cela nous aide à déterminer la taille optimale des pores », a déclaré Mtemeri. « Nous montrons qu’une taille de pores d’environ un nanomètre maintient le bon équilibre entre ionicité et métallicité que nous souhaitons. »

Les résultats, selon les chercheurs, offrent certaines des premières spécifications de conception concrètes pour fabriquer des anodes en carbone dur – ou tout autre matériau en carbone présentant ce type de structure poreuse – en laboratoire. Cela pourrait ouvrir la voie à une future utilisation commerciale des batteries sodium-ion.

« Le sodium est 1 000 fois plus abondant que le lithium, ce qui en fait une option plus durable », a déclaré Qi. « Nous comprenons désormais exactement quelles caractéristiques des pores sont importantes et cela nous permet de concevoir des matériaux d’anode en conséquence. »

Source: Université Brown