Les dernières avancées de la recherche sur les batteries sodium-ion

Des chercheurs de l’Université de Qingdao ont synthétisé des matériaux d’anode haute performance à base de dioxyde de titane affichant une excellente stabilité de cycle, tandis que des scientifiques allemands ont eu recours à des techniques in operando pour observer comment les ions sodium solvatés s’incrustent dans les électrodes.

Image : Qingdao University

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D’après pv magazine International

Peu coûteux, non toxique et abondant, le dioxyde de titane (TiO2) sous sa forme cristalline anatase constitue un matériau d’anode prometteur pour les batteries sodium-ion. Toutefois, la faible conductivité électronique et la cinétique de diffusion lente des ions à des taux élevés freinent les applications pratiques.

Une équipe de chercheurs du College of Materials Science and Engineering, de l’Université de Qingdao en Chine, a fait la démonstration de l’intérêt de son procédé sol-gel (ou solution-gélification) pour la synthèse de nanoparticules d’anatase thermiquement stables avec une coque en carbone, pour servir de matériau d’anode dans les batteries sodium-ion.

Une batterie entière de type pile bouton, assemblée avec de l’anatase comme matériau d’anode et une cathode Sodium Vanadium Phosphate (Na3V2(PO4)3) a émis une densité énergétique de 220 Wh kg. Les scientifiques ont présenté leurs résultats dans l’article « Sodium-ion Storage Properties of Thermally Stable Anatase », paru récemment dans Energy Material Advances.

Par ailleurs, les chercheurs ont noté que la batterie présentait une capacité réversible spécifique de 228 mAh g-1 à une densité de courant de 0,05 A g g-1. Un échantillon monté en température à 750 °C a en outre présenté une excellente stabilité, sans perte de capacité après 2000 cycles.

Les résultats de la caractérisation par diffraction des rayons X in situ et par spectroscopie Raman ont révélé une caractéristique de déformation quasi nulle de la phase anatase pendant les processus de charge/décharge.

Analyse in operando

Un groupe de recherche conjoint du centre allemand Helmholtz de Berlin (HZB) et de l’Université Humboldt de Berlin a quant à lui utilisé les techniques in operando pour observer comment les ions sodium solvatés s’incrustent dans les électrodes.

Le stockage des ions lorsqu’ils sont accompagnés de leur coquille de solvatation dans un réseau cristallin s’appelle la « co-intercalation ». Jusqu’à présent, ce concept se limitait à l’électrode négative de la batterie sodium-ion. Aujourd’hui, des chercheurs installés à Berlin ont réussi à étendre ce dernier à l’électrode positive de la batterie.

« Avec le disulfure de titane (TiS2) et le graphite, nous avons combiné pour la première fois deux matériaux qui absorbent et libèrent le même solvant pendant la charge et la décharge de la batterie », a expliqué Guillermo A. Ferrero, l’un des co-auteurs de « Co-intercalation batteries (CoIBs): Role of TiS2 as electrode for storing solvated Na ions » récemment paru dans Advanced Energy Materials.

Les scientifiques ont pu observer des changements au niveau du matériau durant la charge et la décharge grâce aux mesures in operando réalisées dans le X-Ray Core Lab du HZB, sur le LIMAX 160. Ils ont ainsi réussi à déterminer le mécanisme de co-intercalation à l’intérieur de la batterie.

« Le processus de co-intercalation pourrait améliorer l’efficacité en permettant une meilleure performance à basse température, a ajouté Katherine A. Mazzio du HZB. Il pourrait également être utilisé pour améliorer d’autres concepts de piles, comme l’utilisation d’ions multivalents au lieu du stockage de Li+ ou de Na+ qui sont particulièrement sensibles à la coquille de solvatation ».

Traduction assurée par Christelle Taureau.

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