Aujourd’hui, dans l’univers de l’électromobilité, les batteries au lithium-ion constituent la norme. Elles présentent toutefois des défis importants, notamment le coût élevé des matières premières et la fiabilité des chaînes d’approvisionnement.
Les batteries au sodium-ion pourraient être une alternative viable, mais leur performance diminue rapidement avec les charges et décharges répétées. Une nouvelle étude apporte des éclaircissements sur ce problème.
Le défi des batteries au sodium-ion
Les batteries au sodium-ion sont envisagées comme une alternative aux batteries au lithium-ion, notamment en raison de la disponibilité et du coût moindre du sodium.
Leur performance tend à diminuer rapidement avec les charges et décharges répétées, ce qui constitue un obstacle majeur à leur commercialisation.
Dans cette étude, des chercheurs ont utilisé une combinaison de microscopie électronique et de diffusion des rayons X pour identifier une cause de cette baisse de performance : les défauts introduits lors de la fabrication du matériau de la cathode.
Cette connaissance pourrait aider les chercheurs à concevoir de meilleures cathodes pour des batteries au sodium-ion plus durables.
Grâce aux informations obtenues grâce à cette étude, les développeurs de batteries pourraient être en mesure de créer des cathodes pour les batteries au sodium-ion avec pratiquement aucun défaut. Ces nouveaux dispositifs pourraient coûter moins cher que les batteries actuelles à base de lithium et avoir une durée de vie plus longue.
Cette nouvelle technologie pourrait conduire à des véhicules électriques plus abordables avec des autonomies plus longues et des temps de charge plus rapides. Des batteries moins chères pourraient également entraîner une réduction des coûts de stockage de l’énergie sur le réseau électrique.
En synthèse
La clé de cette recherche, menée par une équipe de l’Argonne National Laboratory, de l’Université du Wisconsin-Milwaukee et de l’Université Stanford, a été de combiner différentes techniques expérimentales.
L’étude a examiné les matériaux de cathode nouvellement synthétisés en utilisant des outils de recherche dans deux installations de l’Office of Science du Département de l’Énergie (DOE) : des faisceaux de rayons X à haute énergie à l’Advanced Photon Source et les capacités analytiques du Center for Nanoscale Materials.
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Les défauts formés pendant la période de refroidissement causent la fissuration des particules de la cathode et une baisse de performance, qui ne fait qu’empirer lorsque les cathodes sont chargées rapidement ou à des températures élevées.
Finalement, cela peut entraîner un «séisme structurel» dans la cathode, conduisant à une défaillance catastrophique de la batterie. Armés de cette connaissance, les développeurs de batteries peuvent ajuster les conditions lors de la synthèse de la batterie et contrôler les défauts dans les cathodes des batteries au sodium-ion.
Ces résultats soulignent l’importance d’éliminer ces défauts pour assurer un cycle stable à long terme des batteries au sodium-ion à des tensions plus élevées.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que les batteries au sodium-ion ?
Les batteries au sodium-ion sont une alternative aux batteries au lithium-ion. Elles utilisent du sodium, un matériau plus abondant et moins cher que le lithium. Cependant, leur performance diminue rapidement avec les charges et décharges répétées.
2. Quel est le problème avec les batteries au sodium-ion ?
Le principal problème avec les batteries au sodium-ion est que leur performance diminue rapidement avec les charges et décharges répétées. Cela est dû à des défauts introduits lors de la fabrication du matériau de la cathode.
3. Comment cette étude a-t-elle identifié le problème ?
Les chercheurs ont utilisé une combinaison de microscopie électronique et de diffusion des rayons X pour identifier les défauts dans le matériau de la cathode. Ces défauts causent la fissuration des particules de la cathode et une baisse de performance.
4. Quelle est la solution proposée ?
La solution proposée est de contrôler les défauts dans les cathodes des batteries au sodium-ion. En ajustant les conditions lors de la synthèse de la batterie, les développeurs de batteries peuvent créer des cathodes avec pratiquement aucun défaut.
5. Quel est l’impact potentiel de cette recherche ?
Cette recherche pourrait conduire à la création de batteries au sodium-ion plus durables et moins chères. Cela pourrait rendre les véhicules électriques plus abordables et augmenter leur autonomie. De plus, cela pourrait réduire les coûts de stockage de l’énergie sur le réseau électrique.
Xu, GL., et al., Native lattice strain induced structural earthquake in sodium layered oxide cathodes. Nature Communications13, 436 (2022). [DOI: 10.1038/s41467-022-28052-x]
