Des scientifiques soutenus par le FNS ont produit de nouveaux électrolytes pour les batteries rechargeables au sodium et au magnésium. L'objectif du groupe de recherche était de développer des alternatives à la technologie lithium-ion.
Un projet soutenu par le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) vise à trouver de nouveaux matériaux pouvant être utilisés dans les batteries rechargeables et à terme proposer des alternatives aux batteries lithium actuelles. Les batteries au lithium présentent plusieurs inconvénients, tels que la disponibilité limitée de la matière première elle-même ainsi que les nombreux problèmes de sécurité, qui sont principalement associés à l'utilisation d'un composé liquide inflammable. Ce problème a été illustré par la récurrence de l'explosion des téléphones portables.
La récente recherche menée par Arndt Remhof des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux, Empa, démontre le potentiel du sodium et du magnésium dans le développement de technologies alternatives basées exclusivement sur des éléments solides. Son équipe a produit des composants de batterie expérimentaux à base de ces métaux.
Changer le matériel
Des chercheurs suisses ont développé des cellules de batterie à l'état solide en utilisant un composé solide (par opposition aux cellules à base d'électrolyte liquide), dont la conception pose un problème technique important. Ions - qu'ils soient lithium, sodium ou magnésium - doit pouvoir se déplacer dans un milieu solide. En passant d'un pôle à l'autre à l'intérieur de la batterie, les ions (charge positive) facilitent le déplacement des électrons (charge négative) et donc la décharge d'un courant électrique à travers un circuit externe.
Pour faciliter le déplacement des ions, les chercheurs ont développé des électrolytes solides à structure cristalline. En remplaçant le lithium par du sodium ou du magnésium, L'équipe d'Arndt Remhof a dû revoir complètement son architecture cristalline et utiliser de nouveaux composants et procédés de fabrication.
"J'aime toujours comparer notre métier à celui d'entraîneur de football", dit Arndt Remhof. "Vous pouvez réunir les meilleurs éléments, mais si vous n'optimisez pas les paramètres, vous n'obtiendrez pas de bons résultats !"
Le sodium :un matériau bon marché
L'équipe d'Arndt Remhof a mis au point un électrolyte solide qui permet une bonne mobilité des ions sodium à 20 degrés. Ce dernier point est crucial :les ions ont besoin d'une source de chaleur pour se déplacer, et induire une réaction à température ambiante pose un défi technique. L'électrolyte est également ininflammable et chimiquement stable jusqu'à 300 degrés, qui répond aux divers problèmes de sécurité associés aux batteries lithium-ion. L'équipe de Hans Hagemann à l'Université de Genève a travaillé en parallèle pour développer une technologie moins chère pour la production de ce nouvel électrolyte solide.
Contrairement au lithium, il existe d'énormes réserves de sodium :c'est l'un des deux composants du sel de table. "La disponibilité est notre argument clé", déclare Léo Duchêne de l'Empa et premier auteur de l'article de recherche. "Toutefois, il stocke moins d'énergie que la masse équivalente de lithium et pourrait donc s'avérer être une bonne solution si la taille de la batterie n'est pas un facteur pour son application."
Magnésium :le matériau parfait mais complexe
La même équipe a également développé un électrolyte solide à base de magnésium. Jusqu'à maintenant, très peu de recherches ont été faites dans ce domaine. Le fait qu'il soit beaucoup plus difficile de mettre en mouvement cet élément ne veut pas dire qu'il est moins attractif :il est disponible en abondance, c'est léger, et il n'y a aucun risque qu'il explose. Mais plus important, un ion magnésium a deux charges positives, alors que le lithium n'en a qu'un. Essentiellement, cela signifie qu'il stocke presque deux fois plus d'énergie dans le même volume.
Certains électrolytes expérimentaux ont déjà été utilisés pour stimuler le mouvement des ions magnésium, mais à des températures supérieures à 400 degrés. Les électrolytes utilisés par les scientifiques suisses ont déjà enregistré des conductivités similaires à 70 degrés. "C'est une recherche pionnière et une preuve de concept, " dit Elsa Roedern de l'Empa, qui a mené les expériences. « On est encore loin d'avoir un prototype complet et fonctionnel, mais nous avons fait le premier pas important vers la réalisation de notre objectif."
Le projet Novel Ionic Conductors rassemble des chercheurs de l'Empa, l'Université de Genève, l'Institut Paul Scherrer et l'Institut Henryk Niewodniczanski de physique nucléaire en Pologne. Il est financé par le Fonds national suisse de la recherche scientifique depuis 2015 dans le cadre du programme Sinergia, qui soutient la recherche collaborative et interdisciplinaire. « Ce que nous avons réussi à réaliser en moins de deux ans est assez extraordinaire ! dit Arndt Remhof.
