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Comment améliorer les performances des batteries sodium-ion ?

Les batteries sodium-ion connaissent actuellement un très fort regain d’intérêt scientifique et industriel, dans le but de remplacer sur le marché les batteries lithium-ion. Les chercheurs du laboratoire Chimie du solide et de l’énergie (CNRS / UPMC / Collège de France)* et de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS / Université de Haute Alsace) ** ont réalisé, dans une batterie sodium-ion, une électrode négative à base de films auto-supportés de nanofibres de carbone. Grâce à ce nouveau matériau, ils ont mis en évidence, pour la première fois, une insertion du sodium en une seule étape à un faible potentiel (~0.1 V) pendant le cycle de charge-décharge, conduisant à une densité d’énergie importante (capacité réversible proche de 200mAh/g). Ces résultats font l’objet d’une publication dans la revue Advanced Energy Materials.

Les sources d’énergie renouvelable ne sont pas disponibles en permanence. Elles nécessitent donc des dispositifs fiables, capables de stocker et restituer l’énergie électrique pour des applications variées (électricité domestique, véhicules électriques…). Les batteries lithium-ion sont, à ce jour, les accumulateurs les plus utilisés. Cependant, le lithium reste un élément coûteux, d’abondance limitée, et pour lequel l’extraction présente un impact environnemental important. Pour contourner ces problèmes et satisfaire au mieux la demande en énergie, des systèmes alternatifs sont envisagés parmi lesquels les batteries sodium-ion. Le sodium présente en effet des propriétés chimiques analogues au lithium tout en étant nettement plus abondant que ce soit dans le sol ou dans l’eau de mer.
De plus, les matériaux d’électrodes négatives tels que les carbones utilisés couramment dans les batteries lithium-ion, conduisent à des performances moindres lorsqu’ils sont transposés dans les batteries sodium-ion. Le développement de ce nouveau type de batteries passera donc obligatoirement par une meilleure compréhension des mécanismes électrochimiques mis en jeu lors des cycles de charge/décharge, et par l’identification des caractéristiques que doivent présenter les matériaux d’électrodes pour des performances optimales.

Les carbones non graphitables dit ‘durs’ se révélant performants comme matériaux d’électrode négative, les chercheurs ont mis au point un film auto-supporté de nanofibres de carbones (NFC). Ce film présente l’avantage de pouvoir être utilisé tel quel comme électrode sans ajout de liant ou d’additif comme c’est généralement le cas.

Testé dans une batterie Na-ion, les chercheurs ont obtenu une capacité réversible et stable sur 50 cycles proche de 200 mAh /g caractérisée par la présence d’un plateau à un faible potentiel (~0.1 V). L’existence de ce plateau et les analyses par diffraction de rayons X in-situ montrent que le stockage du sodium se fait en une seule étape par insertion dans la porosité du carbone. Ce mécanisme est principalement gouverné par les interactions du sodium avec les hétéroatomes de l’électrode, les défauts de surface ou les interactions dans la porosité du carbone.

Ces tests permettent toutefois d’écarter les hypothèses souvent formulées comme l’intercalation du sodium dans les plans graphitiques ou la présence de sodium métallique en surface sous forme de revêtement pendant le cycle de charge/décharge.

* Le laboratoire Chimie du solide et de l’énergie (CNRS / UPMC / Collège de France) est membre du réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie.

** L’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse est membre du réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie et de l’Institut Carnot MICA (Materials Institute Carnot Alsace).

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Performances électrochimiques des batteries utilisant du Na2Fe2(SO4)3 et des nanofibres de carbone comme cathode et anode respectivement.
© Cathie Vix-Guterl

Référence

Biao Zhang, Camélia Matei Ghimbeu, Christel Laberty, Cathie Vix-Guterl & Jean-Marie Tarascon

Correlation between microstructure and Na storage behavior in hard carbon

Advanced Energy Materials 5 novembre 2015
DOI: 10.1002/aenm.201501588

Contacts chercheurs

Biao Zhang, Collège de France
Courriel : zhbxyz@gmail.com

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

Camélia Matei Ghimbeu, Institut de science des matériaux de Mulhouse
Courriel : camelia.ghimbeu@uha.fr

Cathie Vix-Guterl, Institut de science des matériaux de Mulhouse
Courriel : cathie.vix@uha.fr

Christel Laberty, Laboratoire de chimie de la matière condensée – Paris
Couriel : christel.laberty@upmc.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

7 décembre 2015