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Ces images représentent des électrodes présentant différents rapports entre le carbone dur (rouge) et l'Al 2 O 3 (vert)

Ces images représentent des électrodes présentant différents rapports entre le carbone dur (rouge) et l'Al 2 O 3 (vert), ce dernier étant électrochimiquement inerte. L'utilisation de versions plus diluées de l'électrode permet d'éviter certains phénomènes limitant la vitesse, ce qui permet aux scientifiques de mesurer plus précisément la cinétique ionique dans le carbone dur. Crédit : Tokyo U.

Comment les batteries sodium-ion peuvent se recharger plus rapidement que les lithium-ion

par La rédaction
24 décembre 2025
en Batterie, Technologie

Une analyse expérimentale détaillée révèle les mécanismes décisifs qui régissent la cinétique ionique au niveau des électrodes négatives en carbone dur.

L’impulsion mondiale pour la durabilité nécessite des batteries meilleures et plus durables pour soutenir les systèmes d’énergie renouvelable et nos appareils électroniques omniprésents. Si les batteries lithium-ion (LIB) sont actuellement la solution privilégiée, l’avenir appelle à des alternatives construites à partir de matériaux plus largement disponibles que le lithium. Le sodium étant abondant et disponible à faible coût, les batteries sodium-ion (SIB) sont un candidat de premier plan pour remplacer les LIB tout en répondant aux demandes énergétiques mondiales.

La clé des performances remarquables des SIB réside en partie dans le matériau utilisé à l’électrode négative, appelé carbone dur (HC). Ce type de carbone peu cristallin et poreux peut stocker de grandes quantités de sodium, permettant aux SIB d’atteindre des densités d’énergie comparables aux LIB commerciales. Bien que les scientifiques pensent que le HC est un matériau à charge rapide, le prouver expérimentalement est un défi. Le problème est que les tests conventionnels de batteries sous-estiment souvent le taux de charge réel du matériau en raison de problèmes de surtension de concentration dans l’électrode composite. En termes simples, lors d’une charge rapide, la structure composite dense de l’électrode peut provoquer des embouteillages ioniques, où le transport des ions dans l’électrolyte limite la vitesse de réaction. Ainsi, la limite fondamentale du taux de charge du HC, ainsi que la façon dont le taux d’insertion du sodium se compare à celui du lithium, restent flous.

Pour combler cette lacune de connaissances, une équipe de recherche dirigée par le professeur Shinichi Komaba, aux côtés de M. Yuki Fujii, doctorant de troisième année, et du professeur assistant Zachary T. Gossage du Département de chimie appliquée de l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, a employé une approche innovante pour découvrir les limites cinétiques de l’insertion du sodium et du lithium dans le HC.

Les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de méthode d’électrode diluée.*1 Elle consiste à créer une électrode qui combine à la fois des particules de HC et un matériau électrochimiquement inactif comme l’oxyde d’aluminium. Au ratio approprié, elle garantit que chaque particule de HC est entourée d’un approvisionnement abondant en ions, éliminant les problèmes typiques de transport ionique au sein de l’électrolyte et à l’électrode négative. En utilisant cette approche, les chercheurs ont pu mesurer et comparer très efficacement les taux maximums de sodation (insertion de sodium), d’intercalation du lithium et de lithiation (insertion de lithium) dans le HC. De plus, la sodation dans l’électrode de HC dilué a montré une capacité de taux comparable à l’intercalation du lithium dans les électrodes de graphite dilué.

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Nos résultats ont fourni des preuves claires et quantitatives du potentiel à haut débit du HC. Grâce à des tests et analyses détaillés utilisant la voltampérométrie cyclique, la spectrométrie d’impédance électrochimique et la chronoampérométrie par palier de potentiel, l’équipe a constaté que le processus de sodation est intrinsèquement plus rapide que la lithiation pour la même électrode négative. Cela a été confirmé en calculant le coefficient de diffusion apparent — une mesure de la rapidité avec laquelle les ions se déplacent dans le matériau — qui était généralement plus élevé pour le sodium que pour le lithium. « Nos résultats démontrent quantitativement que la vitesse de charge d’une SIB utilisant une anode en HC peut atteindre des taux plus rapides que celle d’une LIB », souligne le Pr Komaba.

De plus, l’équipe a précisément identifié que l’étape déterminante pour l’ensemble du processus de charge est le mécanisme de remplissage des pores, qui se produit lorsque les ions s’agrègent pour former des amas pseudo-métalliques dans les nanopores du HC. Bien que l’étape initiale de la charge (adsorption/intercalation) se soit révélée très rapide pour les deux ions, la vitesse de la réaction totale est finalement limitée par l’efficacité du processus de remplissage des pores.

Une analyse cinétique chimique détaillée a révélé que le sodium nécessite moins d’énergie que le lithium pour former ces amas, ce qui aide à expliquer les avantages de vitesse observés. En identifiant ce goulot d’étranglement, cette étude fournit une orientation claire pour des conceptions de batteries plus rapides et plus écoénergétiques. « Un point clé pour développer des matériaux HC améliorés pour des SIB à charge rapide est d’obtenir une cinétique plus rapide du processus de remplissage des pores afin qu’ils puissent être accessibles à des taux de charge élevés. De plus, nos résultats suggèrent que l’insertion du sodium est moins sensible à la température, en considérant une énergie d’activation plus faible que pour la lithiation », explique le Pr Komaba.

Les résultats de ce travail nous indiquent que les SIB ne sont pas simplement une alternative moins chère et plus sûre aux LIB, mais qu’elles offrent de véritables avantages de performance en termes de vitesse de charge, particulièrement pertinents dans les applications à haute puissance. De plus, les SIB pourraient offrir un fonctionnement plus stable que les LIB. D’autres études pour perfectionner les SIB ouvriront lentement mais sûrement la voie à de nouvelles technologies de batteries, soutenant les efforts actuels pour construire des sociétés durables.

* 1 Méthode d’électrode diluée
Cette méthode électrochimique unique et efficace pour évaluer la cinétique des matériaux d’insertion a été initialement développée par le professeur associé Kingo Ariyoshi de l’Université métropolitaine d’Osaka. Dans cette recherche, le matériau actif de l’électrode négative, c’est-à-dire la poudre de HC, a été partiellement remplacé par de la poudre d’oxyde d’aluminium, qui est électrochimiquement inactive.

Article : Revealing the Kinetic Limits of Sodiation and Lithiation at Hard Carbon Using the Diluted Electrode Method – Journal : Chemical Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Tokyo U.

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Tags: batteriechargecinetiquesodium
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The worldwide push for sustainability requires better, more durable batteries to support renewable energy systems and our ubiquitous electronic devices. While lithium-ion batteries (LIBs) are currently the go-to solution, future calls for alternatives built on materials more widely available than lithium. Because sodium is abundant and available at low-cost, sodium-ion batteries (SIBs) are a leading candidate for replacing LIBs while still meeting global energy demands.

The key to SIBs’ remarkable performance lies partly in the material used at the negative electrode called hard carbon (HC). This low crystalline, porous type of carbon can store large amounts of sodium, enabling SIBs to reach energy densities comparable to commercial LIBs. Though scientists believe that HC is a fast-charging material, proving this experimentally is challenging. The problem is that conventional battery testing often underestimates the material’s true charging rate due to issues with concentration overvoltage in composite electrode. Simply put, during rapid charging, the dense composite structure of the electrode can cause ‘ion traffic jams,’ where ion transport in the electrolyte limits the reaction speed. Thus, the fundamental charging rate limit of HC, as well as how the rate of sodium insertion compares to lithium, remain unclear.

To address this knowledge gap, a research team led by Professor Shinichi Komaba, alongside a third-year PhD candidate Mr. Yuki Fujii and Assistant Professor Zachary T. Gossage from the Department of Applied Chemistry, Tokyo University of Science, Japan, employed an innovative approach to uncover the kinetic limits of sodium and lithium insertion into HC. Their work was published in the journal Chemical Science on December 17, 2025.  

The researchers used a technique known as the ‘diluted electrode method.’*1 It involves creating an electrode that combines both HC particles and an electrochemically inactive material like aluminum oxide. At the appropriate ratio, it ensures that each HC particle is surrounded by an ample supply of ions, eliminating the typical ion transport issues within the electrolyte and at the negative electrode. Using this approach, the researchers were able to very effectively measure and compare the maximum rates for sodiation (sodium insertion), lithium intercalation, and lithiation (lithium insertion) into HC. Furthermore, sodiation into diluted HC electrode showed comparable rate capability to lithium intercalation at diluted graphite electrodes.

Our results provided clear and quantitative evidence of HC’s high-rate potential. Through detailed testing and analysis using cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectrometry, and potential-step chronoamperometry, the team found that the sodiation process is intrinsically faster than lithiation for the same negative electrode. This was confirmed by calculating the apparent diffusion coefficient—a measure of how quickly ions move through the material—which was generally higher for sodium than for lithium. “Our results quantitatively demonstrate that the charging speed of an SIB using an HC anode can attain faster rates than that of an LIB,” highlights Prof. Komaba.

Furthermore, the team precisely identified that the rate-determining step for the entire charging process is the pore-filling mechanism, which occurs when ions aggregate to form pseudo-metallic clusters within HC’s nanopores. While the initial stage of charging (adsorption/intercalation) was found to be very fast for both ions, the speed of the total reaction is ultimately limited by the efficiency of the pore-filling process. Detailed chemical kinetic analysis revealed that sodium requires less energy than lithium to form these clusters, which helps explain the rate advantages observed. By identifying this bottleneck, this study provides a clear direction for faster and more energy-efficient battery designs. “A key point of focus for developing improved HC materials for fast-chargeable SIBs is to attain faster kinetics of the pore-filling process so that they can be accessed at high charging rates. Also,  our results suggest that sodium insertion is less sensitive to temperature, based on the consideration of smaller activation energy than lithiation, ” explains Prof. Komaba.

The findings of this work tell us that SIBs are not simply a cheaper and safer alternative to LIBs, but that they offer genuine performance advantages in charging speed, which are especially relevant in high-power applications. Additionally, SIBs could offer more stable operation than LIBs. Further studies to perfect SIBs will slowly but surely pave the way for new battery technologies, supporting current endeavors to build sustainable societies.

* 1 Diluted electrode method
This unique and effective electrochemical method for evaluating kinetics of insertion materials was originally developed by Associate Professor Kingo Ariyoshi from Osaka Metropolitan University. In this research, the negative electrode active material, i.e. HC powder, was partially replaced by aluminum oxide powder, which is electrochemically inactive.

 

***

 

Reference
DOI: 10.1039/d5sc07762a


About Tokyo University of Science
Tokyo University of Science (TUS) is a well-known and respected university, and the largest science-specialized private research university in Japan, with four campuses in central Tokyo and its suburbs and in Hokkaido. Established in 1881, the university has continually contributed to Japan's development in science by fostering a love for science among researchers, technicians, and educators.

With a mission of “Creating science and technology for the harmonious development of nature, human beings, and society," TUS has undertaken a wide range of research from basic to applied science. TUS has embraced a multidisciplinary approach to research and undertaken intensive study in some of today's most vital fields. TUS is a meritocracy where the best in science is recognized and nurtured. It is the only private university in Japan that has produced a Nobel Prize winner and the only private university in Asia to produce Nobel Prize winners within the natural sciences field.

Website: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

 

About Professor Shinichi Komaba from Tokyo University of Science
Dr. Shinichi Komaba is currently a Professor in the Department of Applied Chemistry at Tokyo University of Science (TUS). He obtained his Ph.D. from Waseda University in Japan. At TUS, he leads a team of over 30 undergraduate, master’s, and Ph.D. students, as well as post-docs and Assistant Professors, focusing on the development of next-generation energy-storage materials. He has published over 470 articles, accumulating over 40,000 citations. His research is centered around sodium-ion batteries, with a broader focus on functional solid-state chemistry, inorganic industrial materials, and electrochemistry. He has received multiple awards for his scientific contributions, including the “2025 Highly Cited Researchers” and “IBA2025 Research Award,” which has been published as hot news of the year.

 

Funding information
This study was partially funded by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) Program: Data Creation and Utilization Type Materials Research. (JPMXP1122712807), the JST through CREST (Grant No. JPMJCR21O6), ASPIRE (JPMJAP2313), and GteX (JPMJGX23S4), and JSPS-Grant-in-Aid for JSPS Fellows (24KJ2024).

Journal

Chemical Science

DOI

10.1039/d5sc07762a

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Revealing the Kinetic Limits of Sodiation and Lithiation at Hard Carbon Using the Diluted Electrode Method

Article Publication Date

17-Dec-2025

COI Statement

The authors declare no competing interests.

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