Les scientifiques ont conçu un nouveau type de cathode qui pourrait rendre la production de masse de batteries au sodium plus réalisable. Les batteries à base de sodium abondant et à faible coût sont d'un grand intérêt à la fois pour les scientifiques et l'industrie car elles pourraient faciliter un processus de production plus rentable pour les systèmes de stockage d'énergie à l'échelle du réseau, l'électronique grand public et les véhicules électriques. La découverte était le fruit d'une collaboration entre des chercheurs de l'Institut de chimie (IOC) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) et du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE).

Les batteries au lithium sont couramment utilisées dans les appareils électroniques grand public tels que les smartphones et les ordinateurs portables, mais ces dernières années, l'industrie du véhicule électrique a également commencé à utiliser des batteries au lithium, augmentant considérablement la demande sur les ressources de lithium existantes.

"Juste l'année dernière, le prix du carbonate de lithium a triplé, parce que le marché chinois des véhicules électriques a commencé à exploser, " dit Xiao-Qing Yang, un physicien à la division de chimie de Brookhaven Lab et le chercheur principal de Brookhaven sur cette étude.

En outre, le développement de nouveaux réseaux électriques intégrant des sources d'énergie renouvelables comme l'éolien et le solaire entraîne également le besoin de nouvelles chimies de batteries. Parce que ces sources d'énergie ne sont pas toujours disponibles, des systèmes de stockage d'énergie à l'échelle du réseau sont nécessaires pour stocker l'énergie excédentaire produite lorsque le soleil brille et que le vent souffle.

Les scientifiques ont recherché de nouvelles chimies de batteries utilisant des matériaux plus facilement disponibles que le lithium. Le sodium est l'une des options les plus souhaitables pour les chercheurs car il existe presque partout et est beaucoup moins toxique pour l'homme que le lithium.

Mais le sodium pose des défis majeurs lorsqu'il est incorporé dans une conception de batterie traditionnelle. Par exemple, la cathode d'une batterie typique est constituée d'ions métalliques et d'oxygène disposés en couches. Lorsqu'il est exposé à l'air, les métaux dans la cathode d'une batterie au sodium peuvent être oxydés, diminuant les performances de la batterie voire la rendant complètement inactive.

Les chercheurs de l'IOC du CAS et de l'Université normale de Jiangxi ont cherché à résoudre ce problème en substituant différents types de métaux dans la cathode et en augmentant l'espace entre ces métaux. Puis, à l'aide de la ligne de faisceau de spectroscopie de coque interne (ISS) à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science - les chercheurs de Brookhaven ont comparé les structures de matériaux de batterie avec des matériaux non substitués à ces nouveaux matériaux de batterie avec des métaux de substitution .

"Nous utilisons la ligne de lumière pour déterminer comment les métaux du matériau de la cathode changent d'état d'oxydation et comment cela est corrélé avec l'efficacité et la durée de vie de la structure de la batterie, " dit Eli Stavitski, un physicien de la ligne de lumière de l'ISS."

La ligne de lumière de l'ISS a été la première ligne de lumière de spectroscopie de rayons X opérationnelle au NSLS-II. Ici, les chercheurs projettent un faisceau de rayons X ultra-lumineux à travers les matériaux pour observer comment la lumière est absorbée ou réémise. Ces observations permettent aux chercheurs d'étudier la structure de différents matériaux, y compris leurs états chimiques et électroniques.

La ligne de lumière de l'ISS, qui est spécialement conçu pour les expériences à grande vitesse, a permis aux chercheurs de mesurer les changements en temps réel de la batterie pendant les processus de charge-décharge. Sur la base de leurs observations faites à la ligne de lumière, L'équipe de Brookhaven a découvert que l'oxydation était supprimée dans les batteries au sodium avec des métaux substitués, indiquant que les batteries au sodium nouvellement conçues étaient stables lorsqu'elles étaient exposées à l'air. Il s'agit d'un grand pas en avant pour permettre une future production de masse de batteries au sodium.

Les chercheurs disent que cette étude est la première d'une longue série qui utilisera la ligne de lumière de l'ISS à NSLS-II pour faire avancer l'étude des batteries.