Ces dernières années, les batteries au sodium métallique (SMB) suscitent une attention croissante pour les technologies de stockage d’énergie de nouvelle génération en raison de l’abondance et du faible coût des réserves de sodium (Na), ce qui en fait des alternatives économiquement avantageuses aux batteries lithium-ion commerciales actuelles. Cependant, les applications pratiques des SMB restent limitées par des problèmes critiques de sécurité et de stabilité.
Les SMB sont confrontées à des défis tels que la forte réactivité du sodium métallique, la croissance de dendrites et les réactions secondaires indésirables, autant de facteurs susceptibles de raccourcir la durée de vie de la batterie. Lorsqu’elles sont déployées à grande échelle dans des systèmes de stockage d’énergie, des températures de fonctionnement élevées peuvent provoquer des défaillances catastrophiques. En outre, les électrolytes organiques liquides conventionnels sont volatils, hautement inflammables et toxiques, ce qui accentue les préoccupations de sécurité et d’environnement.
Désormais, une équipe de recherche dirigée par le professeur Chan-Jin Park du Département de science et génie des matériaux de l’Université nationale de Chonnam, en Corée du Sud, a développé un nouvel électrolyte à base de solvant eutectique profond polymérisable (PDES) capable de relever ces défis. « Notre électrolyte associe un transport efficace des ions Na à une sécurité améliorée, une résistance aux fuites et une stabilité interfaciale, ce qui en fait un candidat prometteur pour l’application pratique des batteries au sodium métallique », explique le professeur Park.
L’électrolyte PDES proposé est composé de perchlorate de sodium (NaClO4), de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et de succinonitrile (SN). Une fois mélangés, ces composants forment un liquide homogène stabilisé par des interactions intermoléculaires, notamment des interactions non covalentes telles que les liaisons hydrogène et les interactions ion-dipôle. Ce mélange, appelé solvant eutectique profond (DES), possède des propriétés attrayantes telles que l’ininflammabilité et la stabilité chimique et thermique. Cependant, en tant qu’électrolytes, ils sont sujets aux fuites. Pour y remédier, les chercheurs ont réalisé la polymérisation in situ du mélange, créant une matrice solide plus robuste et exempte de fuites, connue sous le nom de PDES.
Les interactions intermoléculaires au sein du PDES proposé jouent un rôle important dans l’amélioration du transport des ions Na et dans la résolution des problèmes posés par les électrolytes SMB conventionnels. NaClO4 est employé comme source d’ions Na en raison de la faible coordination entre l’anion perchlorate (ClO4–) et l’ion Na, favorable à la dissociation du sel. Le NIPAM, grâce aux interactions ion-dipôle, favorise la dissociation des ions Na tout en générant une matrice polymère robuste. Quant au SN, il confère de la plasticité et contribue également à la dissociation des ions Na. Ensemble, ces interactions contribuent à créer un environnement favorable au transport des ions Na.
Ainsi, la composition PDES optimisée a démontré une conductivité ionique élevée de 1,39 mS cm–1 à 30 °C, un nombre de transfert d’ions Na élevé de 0,58 et une large fenêtre de stabilité électrochimique. Fait important, le PDES a montré une forte résistance à la flamme lors d’une exposition directe au feu, ainsi qu’une résistance aux fuites.
Fait notable, lorsqu’il a été testé dans des cellules complètes, l’électrolyte PDES a formé une interface électrode-électrolyte robuste sur la cathode pendant le cyclage, supprimant les réactions secondaires parasites et la croissance irrégulière du Na. Par conséquent, la cellule complète équipée de l’électrolyte PDES optimisé a délivré une capacité de décharge initiale de 110,2 mAh g-1 à 0,1 C, avec une efficacité coulombique de près de 99 %. De plus, elle a démontré une stabilité de cyclage à long terme, avec une rétention de capacité de 90,4 % sur 1 000 cycles à un régime de 2 C.
Les chercheurs ont également fabriqué une cellule pouch utilisant cet électrolyte. Fait intéressant, celle-ci a pu continuer à alimenter une LED même pliée et coupée, démontrant ainsi sa sécurité et sa robustesse mécanique.
« La conception de notre électrolyte pour les SMB peut aboutir à des batteries rechargeables plus sûres, moins coûteuses et plus durables », remarque le professeur Park. « À l’avenir, de telles batteries pourraient prendre en charge le stockage des énergies renouvelables au niveau du réseau électrique, les systèmes d’alimentation de secours, ainsi que des systèmes de batteries rechargeables à faible coût. »
Dans l’ensemble, cette conception d’électrolyte innovante contribuera à développer des batteries rechargeables plus sûres, plus durables et plus rentables.
Article : Noncovalent interaction-regulated polymerizable deep eutectic solvent electrolyte for sodium metal batteries – Journal : Energy Storage Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Chonnam National U.
