De meilleures solutions de batteries rechargeables utilisant des ions sodium

Les appareils numériques, les technologies des énergies renouvelables et les véhicules électriques font croître le marché des batteries lithium-ion. Toutefois, ces piles rechargeables très performantes présentent quelques inconvénients. Elles contiennent des matières premières potentiellement toxiques, peuvent exploser en cas de surchauffe ou de surcharge, et sont plus coûteuses que les autres piles rechargeables. Une alternative potentiellement intéressante est la batterie sodium-ion qui promet une meilleure sécurité, des coûts plus bas et un impact négatif moindre sur l’environnement.

Dans cette optique, des chercheurs soutenus par le projet SEED financé par l’UE se sont concentrés sur les ions sodium pour étudier de nouvelles combinaisons de solutions électrolytiques et de matériaux d’électrode. Leurs résultats ont été publiés dans la revue «Advanced Energy Materials».«Contrairement aux batteries lithium-ion, qui s’appuient sur le stockage d’ions lithium dans les électrodes positives et négatives de la batterie, nous travaillons avec des ions sodium, que l’on retrouve également dans le sel de table bon marché. D’autre part, nous stockons les ions sodium avec leur couche de solvatation, c’est-à-dire les molécules de solvant de la solution électrolytique qui séparent les deux électrodes. Cela permet de réaliser des réactions de stockage totalement nouvelles», déclare l’auteur principal de l’étude, le professeur Philipp Adelhelm de l’université Humboldt de Berlin (HU Berlin), hôte du projet SEED, dans un article publié sur le site Web du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).

L’intercalation est le processus par lequel un ion invité est inséré dans un réseau hôte. Lorsque des ions sont stockés ensemble avec leur couche de solvatation dans un réseau cristallin, on parle de co-intercalation. Alors que ce concept était jusqu’à présent limité à l’électrode négative de la batterie sodium-ion, l’équipe de recherche a réussi à l’étendre à l’électrode positive de la batterie. Le premier auteur de l’étude, le Dr Guillermo Alvarez Ferrero, également du HU Berlin, explique: «Avec le disulfure de titane et le graphite, nous avons pour la première fois combiné deux matériaux qui absorbent et libèrent le même solvant pendant la charge et la décharge de la batterie.»

Comme indiqué dans l’article, l’équipe a identifié des changements dans le matériau au cours de la charge et de la décharge, à l’aide de mesures opératoires effectuées sur le diffractomètre en dispersion d’énergie LIMAX-160 du X-Ray CoreLab de HZB. Cela lui a permis d’attribuer le mécanisme de co-intercalation à l’intérieur de la batterie. Grâce à ces nouvelles connaissances, les chercheurs ont mis au point la première batterie à co-intercalation de solvants: une batterie avec deux électrodes qui reposent toutes deux sur la co-intercalation réversible de molécules de solvant.

«Nous n’en sommes encore qu’aux premiers stades de la compréhension des implications des batteries de co-intercalation. Mais il y a quelques avantages possibles que nous pouvons envisager», remarque la co-auteure, la Dr Katherine Mazzio du HZB. «Le processus de co-intercalation pourrait améliorer l’efficacité en permettant une meilleure performance à basse température. Il pourrait également être utilisé pour améliorer d’autres concepts de piles, comme l’utilisation d’ions multivalents au lieu du stockage de Li+ ou de Na+ qui sont particulièrement sensibles à la couche de solvatation.»

Le projet quinquennal SEED (Solvated Ions in Solid Electrodes: Alternative routes toward rechargeable batteries based on abundant elements) se termine en mai 2025.

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projet SEED