En s’inspirant de l’effet Leidenfrost, le phénomène au cours duquel les gouttes de liquide rebondissent sur une surface métallique surchauffée, des chercheurs ont développé des batteries sodium-ion plus stables et plus abordables. L’approche permettrait notamment de faire circuler librement et rapidement les ions sodium de sorte à gagner en efficacité énergétique tout en préservant la structure de la cathode – un aspect qui faisait jusqu’ici défaut à la plupart des concepts de batteries sodium-ion.
Les efforts mondiaux en matière de transition énergétique ont augmenté considérablement la demande en systèmes de stockage à la fois rentables et évolutifs. En effet, si les technologies énergétiques vertes gagnent toujours plus en performances et en innovation, les technologies permettant de stocker les excédents d’énergie produits font encore défaut.
Les batteries lithium-ion constituent actuellement les systèmes de stockage d’énergie les plus utilisés que ce soit pour les appareils électroniques portables ou pour les véhicules électriques. Cependant, mis à part certaines limites en matière de densité énergétique et de durée de vie selon les usages, le lithium qui les compose est difficile à extraire et n’est disponible que dans quelques régions du monde. Leur extraction entraîne d’importants coûts environnementaux et leur chaîne d’approvisionnement est source de tensions géopolitiques.
Les technologies de batteries alternatives font actuellement l’objet de nombreuses recherches afin de réduire la dépendance au lithium et soutenir les efforts de transition énergétique verte et de décarbonation. Les batteries sodium-ion sont considérées comme une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion, le sodium étant largement disponible, facile à extraire et possédant d’excellentes performances électrochimiques.
Cependant, les concepts de batteries sodium-ion dépendent fortement des matériaux utilisés pour la cathode, la borne positive des batteries. Les ions sodium finissent généralement par s’accumuler au niveau des cathodes, endommageant celles-ci. Une équipe co-dirigée par l’Institut indien des sciences de l’éducation et de la recherche (IISER) de Bhopal propose une nouvelle approche basée sur l’effet Leidenfrost (décrit en 1756 par Johann Gottlob Leidenfrost) pour surmonter cette limitation.
L’architecture cathodique, clé de voûte du dispositif
Les performances d’une batterie sodium-ion reposent sur le matériau de sa cathode, qui doit permettre aux ions sodium de se déplacer rapidement et de façon répétée sans altérer sa structure. De nombreux matériaux ont été proposés à cet effet, mais ils manquent généralement de vitesse, de stabilité et de durabilité à long terme. L’approche de la nouvelle étude consiste à utiliser un matériau à base de phosphate, de pyrophosphate et de fer ( Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)) qui forme naturellement une structure tridimensionnelle stable en forme de tunnel.
Résumé graphique de l’étude. © Groupe de recherche sur les énergies propres de l’Institut indien des sciences et de l’éducation (IISER) de Bhopal, Inde.De l’indium a été ajouté afin de pallier les limites de conductivité des matériaux à base de fer. D’après les chercheurs, le remplacement de seulement 1 % des atomes de fer par de l’indium suffisait à augmenter l’espace entre les atomes du matériau de cathode sans altérer la structure de celle-ci. Cet espacement permettrait de faciliter la diffusion des ions sodium et ainsi améliorer la conductivité électronique de la cathode.
« Nous avons décidé de concevoir l’infrastructure cathodique adéquate, une véritable autoroute atomique, pour permettre aux ions sodium de circuler rapidement », explique, dans un communiqué, Subhajit Singha, premier auteur de l’étude et doctorant à l’IISER de Bhopal.
Mis à part les améliorations apportées à sa composition, les chercheurs se sont également inspirés de l’effet Leidenfrost pour son procédé de fabrication. Pour ce faire, ils ont pulvérisé le mélange chimique sur une surface métallique suffisamment chauffée pour déclencher l’effet. Puis, une fois en contact avec la surface, les gouttelettes du mélange s’évaporent instantanément avant de fusionner en particules poreuses puis réduites en poudre.
Des batteries potentiellement plus durables et plus abordables
Cette technique permettrait d’éviter l’utilisation de fours énergivores et de produire des grains spongieux qui absorbent l’électrolyte, facilitant ainsi la circulation du sodium. « Cette approche garantit une excellente pureté de phase et une production à grande échelle. Les matériaux obtenus présentent une morphologie poreuse qui favorise la percolation de l’électrolyte et un transport efficace des ions Na⁺ », expliquent les chercheurs dans leur étude parue récemment dans la revue Small.
Pour évaluer les performances de la cathode et comprendre sa restructuration à l’échelle atomique, les chercheurs ont utilisé des techniques de mesure avancées et des simulations informatiques. Les résultats ont montré que l’indium modifie avec précision la structure atomique du matériau et crée des voies de déplacement rapide pour les ions. Cela permettrait d’améliorer sa conductivité tout en préservant l’intégrité de la structure de la cathode sur des milliers de cycles.
La cathode a notamment montré une densité énergétique d’environ 359 Wh kg⁻¹ pour le matériau de cathode, ainsi que des performances stables sur plus de 10 000 cycles de charge-décharge. À titre de comparaison, les batteries lithium-ion utilisées pour les téléphones ou les ordinateurs portables affichent généralement une durée de vie de quelques centaines à environ un millier de cycles, selon les conditions d’usage.
« Notre étude montre qu’une modification stratégique à l’échelle atomique, associée à une méthode de synthèse simple et adaptable à grande échelle, peut permettre d’atteindre des performances jusqu’alors inaccessibles aux cathodes des batteries sodium-ion », conclut Rohit Ranganathan Gaddam, co-auteur principal de l’étude et professeur adjoint à l’IISER de Bhopal.