Les batteries rechargeables occupent une place centrale dans notre quotidien, alimentant aussi bien les téléphones portables que les véhicules électriques. Pourtant, la technologie dominante, celle des batteries lithium-ion, révèle des faiblesses significatives, notamment en matière de sécurité et de disponibilité des ressources. Pourtant, des solutions alternatives émergent, parmi lesquelles les batteries sodium-ion à électrolyte solide suscitent un intérêt croissant pour leur capacité à répondre à ces problématiques avec stabilité et accessibilité.
Les batteries lithium-ion ont transformé l’usage de l’énergie portable, offrant une efficacité remarquable. Leur électrolyte, composé d’un mélange liquide de sels de lithium et de solvants organiques, permet un transport aisé des ions. Cependant, ce mélange est hautement inflammable, ce qui a provoqué des incidents mettant en danger des vies.
Par ailleurs, le lithium, métal rare, voit ses réserves limitées concentrées dans des zones géopolitiquement instables, suscitant des interrogations sur la pérennité de leur approvisionnement.
Les atouts des batteries sodium-ion
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs explorent des options novatrices, dont les batteries sodium-ion à électrolyte solide. Moins denses en énergie que leurs homologues au lithium, elles se distinguent néanmoins par plusieurs avantages. Le sodium, abondant et peu coûteux, contraste avec la rareté du lithium, et les matériaux nécessaires à leur fabrication sont largement accessibles. En substituant l’électrolyte liquide par un électrolyte solide, des batteries entièrement solides pourraient être conçues, offrant une densité énergétique accrue, une meilleure stabilité et une moindre vulnérabilité aux incendies.
Duke Engineering a initié le programme «Beyond the Horizon», destiné à financer des projets ambitieux à fort potentiel sociétal, malgré leurs risques élevés. Parmi les trois propositions retenues, l’une se consacre au développement des batteries sodium-ion à électrolyte solide. Piloté par Olivier Delaire, professeur associé en génie mécanique et science des matériaux, ce projet ambitionne de pallier le manque de connaissances fondamentales sur les matériaux adaptés.
« Il s’agit d’un domaine de recherche très actif où les chercheurs se précipitent vers la prochaine génération de batteries. Cependant, il n’existe pas une compréhension fondamentale suffisamment solide des matériaux qui fonctionnent bien à température ambiante ni des raisons pour lesquelles ils le font« , a déclaré Olivier Delaire. Avec Johann Guilleminot, Miaofang Chi et des collaborateurs du Oak Ridge National Laboratory, l’équipe s’attache à analyser et optimiser le transport des ions sodium à l’échelle atomique.
Une exploration approfondie des matériaux
L’étude porte sur les matériaux considérés comme les plus performants pour les batteries sodium-ion à électrolyte solide. Grâce à des techniques avancées, telles que la modélisation computationnelle et la microscopie électronique cryogénique, leurs propriétés thermodynamiques et de transport sont examinées avec précision.
«Ces matériaux présentent de nombreux défis en termes de modélisation et de caractérisation multi-échelles, avec de nombreuses inconnues – telles que les interfaces de grains – qui impactent les performances globales du système. Cela constitue le terrain de jeu idéal pour les méthodes de quantification des incertitudes que nous développons à Duke. En quantifiant les erreurs et les incertitudes, nous visons à faire progresser de nouveaux outils prédictifs soutenant une analyse et une conception robustes», a expliqué Johann Guilleminot. Cette approche vise à lever les freins actuels pour rendre ces batteries viables commercialement.
En cas de succès, ce travail pourrait non seulement améliorer les performances des batteries sodium-ion, mais également aboutir à la création d’un prototype de véhicule électrique, illustrant leur applicabilité concrète. Les étudiants de Duke participeront à cette phase, mettant en œuvre les résultats pour démontrer le potentiel de cette technologie. Les collaborations avec le Oak Ridge National Laboratory, doté d’une source de neutrons parmi les plus puissantes au monde, enrichissent cette recherche en capturant les phénomènes atomiques en action.
Légende illustration : Les batteries sodium-ion pourraient constituer une alternative moins chère, plus dense en énergie et plus stable aux batteries lithium-ion actuelles. Crédit : Duke
Source : Duke
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