Les recherches sur les nouveaux matériaux de batteries visent à optimiser leurs performances et leur durée de vie tout en réduisant les coûts. Un effort particulier est également consacré à la diminution de la consommation d’éléments rares, comme le lithium et le cobalt, ainsi que des composants toxiques. Les batteries sodium-ion apparaissent comme une alternative intéressante dans ce contexte.
Les batteries sodium-ion : une alternative prometteuse
Les batteries sodium-ion reposent sur des principes similaires à ceux des batteries lithium-ion, mais elles peuvent être fabriquées à partir de matières premières largement accessibles en Europe. Elles conviennent aussi bien aux applications stationnaires que mobiles.
« Les oxydes stratifiés, tels que les oxydes de sodium-nickel-manganèse, sont des matériaux de cathode très prometteurs », détaille le Dr Simon Daubner, chef de groupe à l’Institut des Matériaux Appliqués – Modélisation et Simulation de la Microstructure (IAM-MMS) du KIT et auteur correspondant de l’étude. Au sein du Cluster d’Excellence POLiS (Post Lithium Storage), il étudie la technologie sodium-ion.
La charge rapide crée un stress mécanique
Cependant, les matériaux de cathode de ce type présentent un problème. Les oxydes de sodium-nickel-manganèse changent de structure cristalline en fonction de la quantité de sodium stockée. Si le matériau est chargé lentement, tout se déroule de manière ordonnée.
« Le sodium quitte le matériau couche par couche, comme des voitures quittant un parking étage par étage », explique Simon Daubner. « Mais lors d’une charge rapide, le sodium est extrait de tous les côtés. »
Cela entraîne un stress mécanique qui peut endommager le matériau de manière permanente.
Les simulations confirment les résultats expérimentaux
Des chercheurs de l’Institut de Nanotechnologie (INT) et de l’IAM-MMS du KIT, en collaboration avec des scientifiques de l’Université d’Ulm et du Centre de Recherche sur l’Énergie Solaire et l’Hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW), ont récemment réalisé des simulations pour clarifier la situation. Ils rapportent leurs résultats dans npj Computational Materials, une revue du portefeuille Nature.
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« Les modèles informatiques peuvent décrire diverses échelles de longueur, de l’arrangement des atomes dans les matériaux d’électrode à leur microstructure jusqu’à la cellule en tant qu’unité fonctionnelle de toute batterie », explique Simon Daubner.
Pour étudier l’oxyde stratifié NaXNi1/3Mn2/3O2, des modèles microstructurés ont été combinés avec des expériences de charge et de décharge lentes. Le matériau a révélé plusieurs mécanismes de dégradation causant une perte de capacité. Pour cette raison, il n’est pas encore adapté aux applications commerciales.
Un changement de structure cristalline entraîne une déformation élastique. Le cristal se rétrécit, ce qui peut provoquer des fissures et une réduction de la capacité. Les simulations de l’INT et de l’IAM-MMS montrent que cette influence mécanique détermine de manière décisive le temps nécessaire pour charger le matériau. Les études expérimentales au ZSW confirment ces résultats.
Vers des batteries sodium-ion durables et rapides à charger
Les résultats de l’étude peuvent être partiellement transférés à d’autres oxydes stratifiés. « Maintenant, nous comprenons les processus de base et pouvons travailler sur le développement de matériaux de batterie durables et pouvant être chargés aussi rapidement que possible », résume Simon Daubner. Cela pourrait conduire à une utilisation généralisée des batteries sodium-ion d’ici cinq à dix ans.
Légende illustration : Couche cathodique constituée de particules sphériques et simulation de la fraction de sodium. (Pour la légende détaillée, voir la fin du texte. Graphique : Simon Daubner, KIT)
Article : « Combined study of phase transitions in the P2-type NaXNi1/3Mn2/3O2 cathode material: experimental, ab-initio and multiphase-field results » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41524-024-01258-x
