Dans la bataille des batteries, la technologie lithium-ion est le champion en titre, alimenter ce téléphone portable dans votre poche ainsi qu'un nombre croissant de véhicules électriques sur la route.

Mais un nouveau matériau à base de manganèse et d'ions sodium développé à l'Université du Texas à Dallas, en collaboration avec l'Université nationale de Séoul, pourrait devenir un concurrent, offrant un coût potentiellement moindre, option plus écologique pour alimenter les appareils de nouvelle génération et les voitures électriques.

Le coût de la batterie est un problème important, a déclaré le Dr Kyeongjae Cho, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science et auteur principal d'un article décrivant le nouveau matériau dans la revue Matériaux avancés .

Alors que les fabricants et les consommateurs demandent plus de véhicules électriques (VE), la production de lithium peut avoir du mal à suivre la demande croissante, dit Cho. Selon un récent rapport de l'Agence internationale de l'énergie, le parc mondial de voitures électriques a dépassé les 2 millions de véhicules en 2016 après avoir franchi la barre du million en 2015. Le rapport note que, selon l'environnement politique, il y a de fortes chances qu'il se situe entre 9 millions et 20 millions d'ici 2020 et entre 40 millions et 70 millions d'ici 2025.

En termes d'économies de coûts dans la batterie EV, utiliser du sodium coûterait moins cher car le sodium est plus abondant, mais il a quelques inconvénients.

"Le lithium est plus cher, ressource limitée qui doit être extraite de quelques régions du globe, ", a déclaré Cho. "Il n'y a pas de problèmes d'extraction avec le sodium, il peut être extrait de l'eau de mer. Malheureusement, bien que les batteries sodium-ion puissent être moins chères que celles utilisant du lithium, le sodium a tendance à fournir une densité énergétique inférieure de 20 % à celle du lithium."

La densité énergétique, ou capacité de stockage d'énergie, d'une batterie détermine la durée de fonctionnement d'un appareil.

« Nous avons utilisé notre expérience précédente et réfléchi à ces problèmes. Comment pouvons-nous combiner ces idées pour proposer quelque chose de nouveau pour résoudre le problème ? » dit Cho.

Une batterie est constituée d'une électrode positive, ou anode; une électrode négative, ou cathode; et un électrolyte entre les deux. Dans une batterie lithium-ion standard, la cathode est en lithium, cobalt, nickel et oxygène, tandis que l'anode est en graphite, un type de carbone. Lorsque la batterie se charge, les ions lithium traversent l'électrolyte jusqu'à l'anode et se fixent au carbone. Lors de la décharge, les ions lithium retournent à la cathode et fournissent de l'énergie électrique pour faire fonctionner les appareils.

"Il y a plusieurs années, il y avait un grand espoir d'utiliser de l'oxyde de manganèse dans les cathodes des batteries lithium-ion pour augmenter la capacité, mais malheureusement, cette combinaison devient instable, " dit Cho.

Dans la conception développée par Cho et ses collègues, le sodium remplace la majeure partie du lithium dans la cathode, et le manganèse est utilisé à la place des éléments plus chers et plus rares que sont le cobalt et le nickel.

"Notre matériau sodium-ion est plus stable, mais il maintient toujours la capacité énergétique élevée du lithium, " dit Cho. " Et nous pensons que c'est évolutif, c'est tout l'objet de notre recherche. Nous voulons fabriquer le matériau de manière à ce que le processus soit compatible avec la production de masse commerciale."

Sur la base de leur connaissance de la physique et de la chimie d'autres matériaux expérimentaux, les chercheurs ont attaqué le problème avec la conception matérielle rationnelle. Ils ont d'abord effectué des simulations informatiques pour déterminer la configuration des atomes les plus prometteuses avant de fabriquer et de tester le matériau en laboratoire.

Cho a déclaré que ses recherches ne visaient pas seulement à trouver une meilleure batterie. La façon dont la recherche a été effectuée est tout aussi importante et intéressante, il a dit.

"Quand Thomas Edison essayait de développer une ampoule, il a essayé des milliers de matériaux différents pour le filament pour voir lesquels fonctionnaient, " a déclaré Cho. "Pour résoudre des problèmes d'ingénierie très importants dans la société d'aujourd'hui, nous devons développer beaucoup de nouveaux matériaux—matériaux de batterie, matériaux antipollution et autres. Edison perfectionnait un élément - l'ampoule électrique - mais nous avons tellement d'autres besoins technologiques. Nous n'avons pas le temps de continuer à essayer de trouver accidentellement la solution."