En stabilisant une forme métastable d’électrolyte solide de sodium, une nouvelle technique permet de créer des batteries au sodium à l’état solide qui conservent leurs performances jusqu’à des températures inférieures à zéro.
Les batteries tout solide sont un moyen sûr et puissant d’alimenter les véhicules électriques et les appareils électroniques et de stocker l’électricité provenant du réseau énergétique, mais le lithium utilisé pour les fabriquer est rare, coûteux et son extraction peut être dévastatrice pour l’environnement.
Le sodium est une alternative peu coûteuse, abondante et moins destructive, mais les batteries tout solide qu’il permet de créer ne fonctionnent actuellement pas aussi bien à température ambiante.
« Il ne s’agit pas d’opposer le sodium au lithium. Nous avons besoin des deux. Lorsque nous réfléchissons aux solutions de stockage d’énergie de demain, nous devons imaginer que la même gigafactory puisse produire des produits à base de lithium et de sodium. Cette nouvelle recherche nous rapproche de cet objectif ultime tout en faisant progresser la science fondamentale. », explique Y. Shirley Meng, professeure titulaire de la chaire Liew Family en ingénierie moléculaire à la Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) de l’université de Chicago.
Un article du laboratoire de Meng, publié cette semaine dans Joule, contribue à résoudre ce problème. Leurs recherches élèvent le niveau de référence des batteries tout solide à base de sodium, en démontrant que des cathodes épaisses conservent leurs performances à température ambiante jusqu’à des conditions inférieures à zéro.
Cette recherche contribue à mettre le sodium sur un pied d’égalité avec le lithium en termes de performances électrochimiques, a déclaré le premier auteur, Sam Oh, de l’Institut A*STAR de recherche et d’ingénierie des matériaux à Singapour, chercheur invité au laboratoire de stockage et de conversion d’énergie de Meng pendant la recherche.
La manière dont ils ont atteint cet objectif représente une avancée dans le domaine de la science pure.
« Notre avancée réside dans le fait que nous stabilisons une structure métastable qui n’avait jamais été signalée auparavant », explique M. Oh. « Cette structure métastable de l’hydrure de sodium présente une conductivité ionique très élevée, au moins un ordre de grandeur supérieure à celle rapportée dans la littérature, et trois à quatre ordres de grandeur supérieure à celle du précurseur lui-même. »
Une technique éprouvée, un nouveau domaine
L’équipe a chauffé une forme métastable d’hydridoborate de sodium jusqu’au point où elle commence à cristalliser, puis l’a rapidement refroidie pour stabiliser cinétiquement la structure cristalline. Il s’agit d’une technique bien établie, mais qui n’avait jamais été appliquée aux électrolytes solides auparavant, a déclaré M. Oh.
Cette familiarité pourrait, à terme, contribuer à transformer cette innovation de laboratoire en un produit concret.
« Comme cette technique est bien établie, nous serons mieux à même de la développer à l’avenir », a déclaré M. Oh. « Si vous proposez quelque chose de nouveau ou s’il est nécessaire de modifier ou d’établir des processus, l’industrie sera plus réticente à l’accepter. »
En associant cette phase métastable à une cathode de type O3 recouverte d’un électrolyte solide à base de chlorure, il est possible de créer des cathodes épaisses à haute charge surfacique qui placent cette nouvelle conception au-delà des batteries au sodium précédentes. Contrairement aux stratégies de conception avec une cathode mince, cette cathode épaisse contiendrait moins de matériaux inactifs et plus de « matière » cathodique.
« Plus la cathode est épaisse, plus la densité énergétique théorique de la batterie (la quantité d’énergie contenue dans une zone spécifique) s’améliore », explique M. Oh.
Les recherches actuelles font progresser le sodium en tant qu’alternative viable pour les batteries, une étape essentielle pour lutter contre la rareté et les dommages environnementaux du lithium. C’est l’une des nombreuses étapes à franchir.
« Le chemin est encore long, mais ce que nous avons accompli avec ces recherches contribuera à ouvrir cette opportunité », conclut M. Oh.
Citation: “Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes,” Oh et al. Joule, Sept. 16, 2025. DOI: 10.1016/j.joule.2025.102130
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