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Du sodium en excès pour augmenter les performances des batteries sodium-ion

Dans ces batteries, certains des ions sodium qui migrent de l’électrode positive pour produire le courant se trouvent piégés à la surface de l’électrode négative et forment une couche solide. Plus ces ions sont capturés, moins ils peuvent ensuite contribuer à la performance de la batterie dont l’autonomie va progressivement diminuer. Pour contourner ce problème, les chercheurs du Laboratoire chimie du solide et énergie (CNRS / Collège de France) ont ajouté un excès de sodium (on parle de sodium sacrificiel) dans l’électrode positive, apporté par le composé Na3P ou du sodium métallique, pour compenser cette capture inévitable. Ces résultats sont parus dans la revue Nature Communications.

Lors des premiers cycles de charge/décharge d’une batterie, une fine couche solide se forme à la surface de l’électrode négative composée, entre autre, d’ions à l’origine de la production du courant électrique. Bien connue des industriels et des chercheurs, cette solide electrolyte interface (SEI) peut se révéler capitale pour les propriétés finales de la batterie (protection de son intégrité structurale, blocage des réactions de réduction de l’électrolyte, passivation électronique…).

Néanmoins, il n’y a pas que des aspects positifs. Dans le cas des batteries Li-ion, des ions lithium issus de l’électrode positive se retrouvent piégés à la surface de l’électrode négative. Or, chaque ion lithium représente un peu de la capacité totale de la batterie. Plus ils sont capturés, moins la capacité/autonomie réelle de la batterie sera performante pour le consommateur. Ce problème bien connu pour les batteries Li-ion, a été en parti réglé par une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la formation de la SEI, voire l’ajout de Li en excès.

L’engouement pour les nouvelles batteries au sodium et les dernières avancées faites vers leur commercialisation ont incité les chercheurs du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E) à s’intéresser à ce problème pour ces batteries. En effet, le mécanisme de piégeage des ions sodium dans la SEI est à l’origine d’une perte de capacité pouvant aller jusqu’à 15%.

Pour remédier à ce piégeage, les chercheurs ont ajouté un excès de sodium (on parle de sodium sacrificiel) dans l’électrode positive pour compenser cette perte incontournable. Cet excès de sodium est apporté par le composé Na3P ou du sodium métallique (Na) qui servent de réducteur, permettant ainsi d’obtenir des composés d’électrodes enrichis en Na, dont certains, Na4V2(PO4)2F3, n’étaient pas connus jusque-là.

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Vision schématique de la production du composé Na3P (en jaune) par broyage mécanique par réaction avec le Sodium (bleu) et le Phosphore (rouge). © Jean-Marie Tarascon

Le composé Na3P, déjà connu mais jamais utilisé dans ce contexte, a fait d’abord l’objet d’une simplification de sa méthode de production. Les chercheurs sont parvenus à le produire par broyage mécanique en 2h seulement. Une méthode de production plus simple et économique que les précédentes qui nécessitaient une sodiation électrochimique, réaction d’alliage par chauffage dans des solvants, ou cuisson à 450°C.

Forts du succès de l’utilisation de cette méthode de broyage, les chercheurs l’ont également utilisée pour incorporer le Na3P et le Na aux d’électrodes positives. Les résultats montrent une augmentation de la capacité globale des batteries de 10 à 30% !

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A gauche, en haut, le composé initial, en bas le composé enrichi en sodium (on voit la capacité supplémentaire qui atteint presque 200 mAh/g). A droite, tenue en capacité des composés enrichis en sodium (bleu et rouge) sur 20 cycles vs. celle (en vert) du composé non enrichi. © Jean-Marie Tarascon

Cette approche pourrait-être idéale si ces composés n’étaient pas sensibles à l’humidité. Utilisés tels quels, ils nécessitent l’utilisation d’une « salle sèche » pour leur production. Un nouveau verrou à lever pour les chercheurs qui vont tenter de concevoir des « barrières à l’humidité ».

Référence

Biao Zhang, Romain Dugas, Gwenaelle Rousse, Patrick Rozier, Artem M. Abakumov & Jean-Marie Tarascon

Insertion compounds and composites made by ball milling for advanced sodium-ion batteries

Nature communications 19 janvier 2016
DOI : 10.10308/ncomms10308

Contact chercheur

Jean-Marie Tarascon, Collège de France
jean-marie.tarascon@college-de-france.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

29 janvier 2016