Un matériau à base de sodium offre une alternative stable aux batteries lithium-ion

Des chercheurs de l’université du Texas à Austin ont créé un nouveau matériau de batterie à base de sodium, très stable, capable de se recharger aussi rapidement qu’une batterie lithium-ion traditionnelle et pouvant ouvrir la voie à la fourniture de plus d’énergie que les technologies de batterie actuelles.

Depuis une dizaine d’années, les scientifiques et les ingénieurs développent des batteries au sodium, qui remplacent le lithium et le cobalt utilisés dans les batteries lithium-ion actuelles par du sodium, moins cher et plus écologique. Malheureusement, dans les batteries au sodium antérieures, un composant appelé anode avait tendance à former des filaments en forme d’aiguille appelés dendrites, qui pouvaient provoquer un court-circuit électrique, voire un incendie ou une explosion de la batterie.

Dans l’une des deux avancées récentes de l’UT Austin en matière de batteries au sodium, le nouveau matériau résout le problème des dendrites et se recharge aussi rapidement qu’une batterie lithium-ion. L’équipe a publié ses résultats dans la revue Advanced Materials.

« Nous résolvons essentiellement deux problèmes à la fois« , a déclaré David Mitlin, professeur au département Walker d’ingénierie mécanique et au laboratoire de recherche appliquée de la Cockrell School of Engineering, qui a conçu le nouveau matériau. « En règle générale, plus vous chargez rapidement, plus vous développez ces dendrites. Donc, si vous supprimez la croissance des dendrites, vous pouvez charger et décharger plus rapidement, car tout d’un coup, c’est sûr. »

Graeme Henkelman, professeur au département de chimie et à l’Oden Institute for Computational Engineering and Sciences, a utilisé un modèle informatique pour expliquer, d’un point de vue théorique, pourquoi le matériau présente les propriétés uniques qu’il possède.

« Ce matériau est également passionnant parce que l’anode de sodium métal possède théoriquement la plus haute densité d’énergie de toutes les anodes de sodium« , a déclaré M. Henkelman.

La demande de systèmes de stockage d’énergie stationnaires pour les maisons et pour lisser les flux et reflux d’énergie éolienne et solaire sur les réseaux électriques est en hausse. Dans le même temps, l’exploitation du lithium a été critiquée pour son impact sur l’environnement, notamment l’utilisation intensive des eaux souterraines, la pollution des sols et de l’eau et les émissions de carbone. Les batteries lithium-ion utilisent généralement aussi du cobalt, qui est cher et extrait principalement en République démocratique du Congo, où il a des répercussions importantes sur la santé humaine et l’environnement. En comparaison, l’extraction du sodium est moins chère et plus respectueuse de l’environnement.

M. Mitlin est confiant dans l’idée que cette nouvelle innovation et d’autres innovations de l’UT Austin, notamment un nouvel électrolyte solide qui améliore le stockage d’énergie, permettront bientôt aux batteries au sodium de répondre à la demande croissante de stockage d’énergie stationnaire.

Lorsqu’une batterie rechargeable est chargée, des ions (comme le lithium ou le sodium) se déplacent d’un composant appelé cathode à un autre appelé anode. Lorsque la batterie est utilisée pour produire de l’électricité, les ions passent de l’anode à la cathode.

Le nouveau matériau de l’anode, appelé composite intermétallique de sodium et de tellurure d’antimoine – métal Na (NST-Na), est fabriqué en enroulant une fine feuille de métal de sodium sur une poudre de tellurure d’antimoine, en la repliant sur elle-même et en répétant l’opération plusieurs fois.

« Pensez à la fabrication d’une sorte de pâtisserie en couches, comme la spanakopita« , a déclaré Mitlin.

Ce procédé permet d’obtenir une distribution très uniforme des atomes de sodium, ce qui réduit le risque de formation de dendrites ou de corrosion superficielle par rapport aux anodes en sodium métallique existantes. Cela rend la batterie plus stable et permet une charge plus rapide, comparable au taux de charge d’une batterie lithium-ion. Sa capacité énergétique est également supérieure à celle des batteries sodium-ion existantes.

M. Henkelman a expliqué que si les atomes de sodium qui portent une charge dans une batterie au sodium se lient plus fortement les uns aux autres qu’à l’anode, ils ont tendance à former des instabilités, ou des amas de sodium qui attirent d’autres atomes de sodium et finissent par former des dendrites. Il a utilisé une simulation informatique pour révéler ce qui se passe lorsque des atomes de sodium individuels interagissent avec le nouveau matériau composite NST-Na.

« Dans nos calculs, ce composite lie le sodium un peu plus fortement que le sodium ne se lie lui-même, ce qui est le cas idéal pour que les atomes de sodium descendent et se répartissent uniformément sur la surface et empêchent ces instabilités de se former« , a déclaré M. Henkelman.

Légende : Des scientifiques de l’Université du Texas à Austin ont mis au point une nouvelle anode en sodium métal pour les batteries rechargeables (à gauche) qui résiste à la formation de dendrites, un problème courant avec les anodes en sodium métal standard (à droite) qui peut entraîner des courts-circuits et des incendies. Les images ont été prises avec un microscope électronique à balayage.

Credit : Yixian Wang/University of Texas at Austin.

Les deux principaux auteurs de l’étude, Yixian Wang et Hui Dong – respectivement étudiant actuel et ancien étudiant diplômé du laboratoire de Mitlin – ont fabriqué le matériau. Des collègues du Los Alamos National Laboratory, dirigés par John Watt, ont caractérisé ses propriétés. Les autres auteurs de l’étude sont Hongchang Hao, Pengcheng Liu et Naman Katyal de l’UT Austin.

Mitlin, Wang et Dong ont déposé, avec l’UT Austin, un brevet sur la fabrication, la structure et la fonctionnalité du nouveau matériau d’anode en sodium métal.

Cette recherche a été rendue possible grâce au soutien de la National Science Foundation et de la Welch Foundation.