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Batterie sodium-ion

12.03.2015

Des chimistes ont fabriqué une batterie sodium-ion qui fonctionne aussi bien que la batterie lithium-ion à laquelle nous sommes habitués.

Il y a quelques années, il a été suggéré qu'il était temps pour l'humanité de penser à une pénurie imminente, mais pas à celle du pétrole et du gaz, dont nous avons généralement peur, mais à la pénurie d'un métal alcalin - le lithium. Dans notre vie, il y a de plus en plus d'appareils électroniques et de toutes sortes de gadgets. Et tous, du téléphone portable à la voiture électrique, utilisent de l'énergie électrique stockée dans des batteries. La plupart sont des batteries lithium-ion. Aujourd'hui, c'est le type de piles rechargeables le plus courant. Et même s'il est peu probable que nous assistions à des guerres autour des gisements de lithium dans un proche avenir, son coût pourrait augmenter. Et cela signifie qu'il est temps de penser à des batteries moins chères qui utiliseraient d'autres cellules. Les développeurs parient sur le parent le plus proche du lithium dans le système périodique - le sodium, en tant que métal beaucoup plus courant et peu coûteux.

Pourquoi ne pouvez-vous pas simplement remplacer le lithium d'une batterie par du sodium ? Tout est question de taille atomique. Bien que le lithium et le sodium soient très similaires dans leurs propriétés chimiques, l'atome de sodium est nettement plus grand que l'atome de lithium. Et il s'avère critique pour le fonctionnement de la batterie. Une batterie au lithium comporte deux électrodes, l'une en carbone ou en graphite et l'autre en oxyde métallique tel que le cobalt. Les ions lithium servent de porteur de charge entre les électrodes, c'est pourquoi on les appelle en fait des batteries lithium-ion. Lors de la recharge, les ions lithium sont libérés de l'électrode en oxyde métallique et se déplacent vers la seconde électrode, qui est en carbone.

La taille des atomes de lithium est telle qu'ils peuvent facilement s'intégrer dans la structure de l'électrode. Ce processus s'appelle l'intercalation, au cours de laquelle les ions métalliques "se pressent" entre les couches atomiques de graphite. Pendant la décharge, le processus inverse se produit - les ions lithium quittent l'électrode en graphite et retournent à la deuxième électrode.

Le point clé de ce processus électrochimique est simplement l'incorporation d'ions dans l'électrode. Plus il passe vite et facilement, plus la puissance instantanée peut être importante. Si le processus est lent, la batterie ne pourra pas fournir le courant nécessaire au fonctionnement de l'appareil. C'est précisément la difficulté de développer une batterie sodium-ion. Une électrode en carbone n'est pas adaptée car les ions sodium, du fait de leur taille, sont extrêmement réticents à s'intégrer dans la structure du graphite.

C'est pourquoi les électrochimistes recherchent des matériaux d'électrodes adaptés à l'électronique conventionnelle. Après tout, il est possible de fabriquer une batterie aux ions sodium, et cela fonctionnera, le tout est qu'elle ne sera pas aussi petite, volumineuse et puissante que le lithium. Mais ce sont la puissance et la taille qui sont les paramètres les plus importants pour les appareils mobiles.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Yong Lei de l'Université technique d'Ilmenau en Allemagne a mis au point un matériau pouvant être utilisé pour fabriquer une électrode dans une batterie sodium-ion, de sorte qu'il ne sera pas inférieur au lithium en termes de puissance et capacité.

Tout d'abord, les chimistes ont analysé les propriétés que le matériau d'électrode devrait avoir afin d'assurer l'introduction efficace des ions sodium. Le choix s'est porté sur les composés aromatiques conjugués de la classe des trans-stilbènes. Ils ont la capacité de transférer la charge, sont stables lors de la charge et de la décharge de la batterie et forment des couches intermoléculaires entre lesquelles le sodium peut facilement s'introduire.

Les chimistes ont testé le fonctionnement d'une électrode constituée d'un tel matériau et il s'est avéré qu'à une densité de courant moyenne de 1 A / g, la capacité serait de 160 mAh / g, ce qui n'est en aucun cas inférieur aux batteries lithium-ion. La batterie s'est également bien comportée lors du test d'endurance, conservant une capacité de 70 % après 400 cycles de charge-décharge. Et bien que la mise en œuvre commerciale du projet soit encore loin, les résultats obtenus indiquent que les batteries sodium-ion ont droit à la vie et peuvent, en principe, remplacer les batteries Li-ion déjà familières.

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