La demande mondiale de véhicules électriques et de stockage d’énergie renouvelable augmentant, le besoin de technologies de batteries abordables et durables se fait également sentir. Une nouvelle étude menée par des chercheurs du département de science des matériaux et de nano-ingénierie de l’université de Rice, avec des collaborateurs de l’université de Baylor et de l’Indian Institute of Science Education and Research Thiruvananthapuram, a présenté une solution innovante qui pourrait avoir un impact sur les technologies de stockage de l’énergie électrochimique.
En utilisant un sous-produit de l’industrie pétrolière et gazière, l’équipe a travaillé avec des matériaux de carbone de forme unique – de minuscules cônes et disques – dotés d’une structure graphitique pure. Ces formes inhabituelles produites par la pyrolyse évolutive d’hydrocarbures pourraient contribuer à relever un défi de longue date pour les anodes dans la recherche sur les batteries : comment stocker l’énergie avec des éléments comme le sodium et le potassium, qui sont beaucoup moins chers et plus largement disponibles que le lithium.
« Depuis des années, nous savons que le sodium et le potassium sont des alternatives intéressantes au lithium », a déclaré l’auteur correspondant Pulickel Ajayan, professeur d’ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson à Rice. « Mais le défi a toujours été de trouver des matériaux d’anode à base de carbone capables de stocker efficacement ces ions plus importants. »
Franchir la barrière du graphite
Les batteries lithium-ion traditionnelles utilisent le graphite comme matériau d’anode. Cependant, la même structure de graphite échoue lorsqu’il s’agit de sodium ou de potassium. Leurs atomes sont tout simplement trop gros et leurs interactions trop complexes pour glisser à l’intérieur et à l’extérieur des couches très serrées du graphite.
Mais en repensant la forme du carbone au niveau microscopique, l’équipe a trouvé une solution. Les structures en cône et en disque offrent une courbure et un espacement qui accueillent les ions sodium et potassium sans qu’il soit nécessaire de recourir au dopage chimique (processus consistant à ajouter intentionnellement de petites quantités d’atomes ou de molécules spécifiques pour en modifier les propriétés) ou à d’autres modifications artificielles.
« Nous avons été surpris de voir à quel point ces structures graphitiques pures et incurvées étaient performantes », a ajouté le premier auteur, Atin Pramanik, associé postdoctoral dans le laboratoire d’Ajayan. « Même sans hétéroatomes, elles permettaient l’intercalation réversible d’ions sodium avec une contrainte structurelle minimale. »
Durables, évolutifs et écologiques
Lors de tests en laboratoire, les cônes et les disques de carbone ont stocké environ 230 milliampères-heure de charge par gramme (mAh/g) en utilisant des ions sodium, et ils ont conservé 151 mAh/g même après 2 000 cycles de charge rapide. Ils ont également bien fonctionné avec des batteries à ions potassium, mais les performances n’étaient pas aussi bonnes qu’avec le sodium.
Des techniques d’imagerie avancées, telles que la microscopie électronique à transmission cryogénique et la résonance magnétique nucléaire à l’état solide, ont confirmé que les ions entraient et sortaient de la structure de carbone comme prévu et que le matériau conservait sa forme après des milliers de cycles de charge-décharge.
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« Il s’agit de l’une des premières démonstrations claires de l’intercalation d’ions sodium dans des matériaux graphitiques purs avec une telle stabilité », a ajouté M. Pramanik. « Cela remet en question la croyance selon laquelle le graphite pur ne peut pas fonctionner avec le sodium. »
Les implications sont vastes. Non seulement cette découverte ouvre la voie à des batteries sodium-ion plus abordables, mais elle réduit également la dépendance à l’égard du lithium, dont l’approvisionnement devient de plus en plus coûteux et géopolitiquement compliqué. Et comme le carbone conique/disque peut être synthétisé à partir de sous-produits de l’industrie pétrolière et gazière, il constitue une voie plus durable pour la production d’anodes de batteries.
Un tournant dans la conception des batteries
Alors que la plupart des recherches dans ce domaine se sont concentrées sur les carbones durs ou les matériaux dopés, la nouvelle étude marque un tournant dans la stratégie, en mettant l’accent sur la morphologie plutôt que sur la modification chimique.
« Nous pensons que cette découverte ouvre un nouvel espace de conception pour les anodes de batteries », a affirmé M. Ajayan. « Au lieu de modifier la chimie, nous modifions la forme, ce qui s’avère tout aussi intéressant. »
« Nous ne nous contentons pas de développer un meilleur matériau pour les batteries », a conclu M. Pramanik. « Nous offrons une véritable voie vers un stockage de l’énergie plus propre, moins cher et plus largement accessible à tous ».
Cette recherche a été financée par Omega Power et le ministère indien de la science et de la technologie.
Légende illustration : Atin Pramanik, associé postdoctoral dans le laboratoire d’Ajayan, examine le prototype de la batterie (Crédit : Jeff Fitlow/Rice University).
Article : « Graphite Cone/Disc Anodes as Alternative to Hard Carbons for Na/K-Ion Batteries » – DOI: 10.1002/adfm.202505848
