Un nouvel additif électrolytique aide les batteries au sodium à atteindre des performances similaires à celles du lithium, offrant ainsi une voie pratique vers un stockage d’énergie évolutif et sans lithium.
La croissance continue de l’énergie solaire et éolienne redessine les systèmes énergétiques mondiaux, créant une demande urgente de technologies de stockage à la fois durables et abordables. Les batteries sodium-ion sont une alternative attrayante aux technologies au lithium car le sodium est abondant, largement distribué et peu coûteux.
Malgré leur potentiel, les batteries sodium haute tension sont restées difficiles à commercialiser en raison d’un défi matériel fondamental : l’électrolyte doit stabiliser à la fois l’anode en sodium métallique hautement réactive et la cathode haute tension — deux surfaces qui nécessitent typiquement des conditions chimiques opposées pour rester stables.
« Traditionnellement, les additifs qui protègent un côté de la batterie ont tendance à endommager l’autre », explique Husam Alshareef, un scientifique des matériaux à la KAUST qui dirige le Centre d’excellence pour les énergies renouvelables et les technologies de stockage (CREST). « Ce compromis a été un obstacle majeur au développement de batteries sodium haute tension pratiques. »
Alshareef et ses collaborateurs du CREST à la KAUST ont maintenant brisé cette limitation de longue date en introduisant une nouvelle classe d’additifs d’électrolyte appelés additifs non solvatants (NSA). Cette approche offre une voie simple et peu coûteuse pour stabiliser les deux électrodes simultanément, permettant des batteries sodium à longue durée de vie qui fonctionnent à des tensions comparables aux systèmes lithium-ion commerciaux.
L’étude se concentre sur la façon dont l’additif interagit avec les ions dans l’électrolyte. La plupart des additifs existants sont fortement solvatants : ils se lient étroitement aux ions sodium, les suivent vers l’anode pendant la charge, et s’y décomposent souvent, déstabilisant la surface du sodium métallique. Pendant ce temps, ils laissent la cathode insuffisamment protégée contre la dégradation à haute tension.
L’équipe de la KAUST a adopté l’approche inverse. Ils ont identifié une molécule d’éther fluoré — l’éther 1,1,2,2-tétrafluoroéthyl 2,2,3,3-tétrafluoropropyl (TTE) — qui interagit faiblement avec les ions sodium mais se lie préférentiellement aux anions chargés négativement. « Parce que ces additifs ne s’accrochent pas aux ions sodium, ils ne sont pas entraînés vers l’anode, où ils pourraient être nocifs », précise Dong Guo, auteur principal de l’étude. « Au lieu de cela, ils voyagent avec les anions vers la cathode, où leur effet protecteur est réellement nécessaire. »
Ce mécanisme « anti-solvataion » permet d’utiliser une quantité infime d’additif — seulement 3 % en poids — pour former une interphase robuste et stable sur la cathode haute tension. Le résultat est une batterie qui résiste à des conditions de cyclage agressives autrefois jugées incompatibles avec la chimie du sodium. Lors des tests, les cellules ont conservé 90 % de leur capacité après 1 200 cycles, tandis que l’anode en sodium métallique a atteint une efficacité exceptionnellement élevée de 99,92 %, indiquant une forte stabilité de cyclage à long terme.
L’équipe a également validé l’approche dans des cellules de type poche à l’échelle de l’ampère-heure, atteignant des densités d’énergie d’environ 180 Wh kg⁻¹, comparables à celles des batteries lithium fer phosphate (LFP), largement utilisées dans le stockage stationnaire et les véhicules électriques d’entrée de gamme. Parce que la formulation NSA fonctionne comme un additif prêt à l’emploi pour les électrolytes éther standard et repose sur des produits chimiques disponibles commercialement, elle est immédiatement compatible avec les procédés de fabrication industriels.
« C’est une solution pratique et évolutive », déclare Alshareef. « En repensant le comportement des additifs à l’intérieur de l’électrolyte, nous pouvons débloquer les batteries sodium haute tension sans dépendre de chimies complexes ou coûteuses. »
Avec les contraintes d’approvisionnement en lithium et les pressions sur les coûts façonnant les marchés mondiaux de l’énergie, les batteries sodium deviennent de plus en plus importantes pour le stockage sur réseau, les systèmes d’alimentation de secours et les véhicules électriques sensibles au coût. Le concept NSA pourrait accélérer cette transition en réduisant l’écart de performance entre les technologies à base de sodium et de lithium tout en conservant les avantages en termes de ressources et de coûts du sodium.
« Notre approche combine haute tension, longue durée de vie en cycles et faible coût », ajoute Guo. « Elle ouvre la porte à un stockage d’énergie durable et sans lithium à grande échelle. »
Référence / Guo, D., Thomas, S., Shi, Z., Lei, Y., Zhao, Z., Zhang, Y., Canlas, C. G., Ming, F., El-Demellawi, J. K., Hedhili, M. N., Zhu, Y., Mohammed, O. F., Bakr, O. M., & Alshareef, H. N.. Non-solvating additives for high-voltage sodium metal batteries. Joule, 102219.
Article : « Non-solvating additives for high-voltage sodium metal batteries » – DOI : 10.1016/j.joule.2025.102219
Source : KAUST
