D’après pv magazine International
Les travaux menés par une équipe de l’Institute of Science Tokyo portent précisément les tailles optimales de nanopores et les zones de transition structurelles qui gouvernent la mobilité ionique et les performances en puissance. Objectif : fournir des lignes directrices concrètes pour améliorer la densité énergétique, la cyclabilité et les perspectives d’industrialisation de cette technologie.
L’étude a eu recours à plusieurs supercalculateurs de très haute performance, dont Fugaku, classé parmi les dix plus puissants au monde. Les chercheurs y ont exécuté des simulations de dynamique moléculaire basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT-MD), explorant différentes configurations d’ions sodium et de feuillets de graphène.
Leurs résultats sont présentés dans l’article intitulé « Identification des mécanismes dominants de formation des clusters de sodium et de diffusion des ions sodium dans les nanopores de carbone dur : une étude par dynamique moléculaire basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT-MD) », publié dans la revue Advanced Energy Materials.
Le carbone dur (hard carbon, HC) constitue aujourd’hui l’anode de référence des batteries sodium-ion de nouvelle génération. Si ces dernières suscitent un intérêt croissant en raison de l’abondance du sodium – et donc de leur potentiel stratégique face au lithium –, leur fonctionnement intime restait mal compris, notamment la formation d’agrégats d’ions sodium dans les nanopores et leur mobilité relativement limitée à température d’usage.
« Nous pensons être les premiers à montrer la formation de clusters de sodium dans les nanopores du carbone dur. Le goulet d’étranglement de la diffusion des ions sodium y est également analysé et visualisé pour la première fois à l’échelle atomique », explique Che-an Lin, auteur correspondant de l’étude.
Les simulations révèlent que les ions sodium passent rapidement d’un état d’adsorption bidimensionnel à un état tridimensionnel quasi métallique au sein des nanopores. Les chercheurs ont ainsi déterminé théoriquement un diamètre optimal de pore d’environ 1,5 nanomètre pour assurer un stockage stable du sodium.
Selon l’équipe, « pour obtenir une capacité élevée sur le plateau de décharge, la taille et la fraction volumique des pores doivent être soigneusement contrôlées. Une distribution étroite centrée autour de 1,5 nm apparaît optimale. Des pores plus petits ou plus grands conduisent à des clusters instables ».
L’étude met également en lumière un phénomène déterminant : si les ions sodium diffusent rapidement dans les zones bien connectées du carbone dur, les régions de transition, notamment entre couches de graphène plus ou moins espacées, constituent de véritables goulots d’étranglement. Ces zones étroites se « saturent » d’ions jusqu’à ce qu’une force répulsive suffisante permette de débloquer la migration, limitant ainsi la performance en puissance.
Pour Yoshitaka Tateyama, qui dirige l’équipe, « l’adoption généralisée des batteries sodium-ion contribuerait à accroître l’offre globale de batteries et à soutenir la transition vers la neutralité carbone ». L’enjeu majeur demeure toutefois la densité énergétique, encore inférieure à celle des batteries lithium-ion. Certaines entreprises ont déjà engagé ou planifient une production de masse de batteries sodium-ion, en misant notamment sur leurs atouts en charge rapide et en large plage de température de fonctionnement – des domaines où le lithium-ion rencontre des contraintes.
Présentés dans la revue Advanced Energy Materials, ces travaux apportent des bases scientifiques solides pour optimiser la conception des anodes en carbone dur. En clarifiant les mécanismes atomiques à l’œuvre, ils ouvrent la voie à des batteries sodium-ion plus performantes, susceptibles de compléter, plutôt que remplacer, les technologies lithium-ion dans le futur mix du stockage électrochimique.
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