Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences et de l'Université de technologie de Delft (TU Delft) ont mis au point une méthode pour prédire la structure atomique des batteries sodium-ion. Jusqu'à maintenant, c'était impossible même avec les meilleurs supercalculateurs. Les résultats peuvent considérablement accélérer la recherche sur les batteries sodium-ion. Par conséquent, ce type de batterie peut devenir une technologie sérieuse à côté des batteries Li-ion populaires que l'on trouve dans nos smartphones, ordinateurs portables et voitures électriques. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue Science .

Téléphones portables, les ordinateurs portables et les voitures électriques contiennent tous des batteries lithium-ion. En termes de performances et de densité énergétique, ces batteries sont incomparables. Pourtant, la dépendance commerciale d'un type de batterie a aussi ses inconvénients. Prenez du cobalt, par exemple. Jusque là, malgré de nombreuses recherches, produire des batteries lithium-ion sans cette ressource rare n'a pas été possible. Le cobalt est presque exclusivement extrait au Congo dans des conditions difficiles et avec un impact majeur sur l'environnement.

Le lithium est une ressource qui peut devenir problématique à long terme. "À l'heure actuelle, nous en avons plus qu'assez, " dit Marnix Wagemaker, chercheur à la TU Delft. " Mais si nous allons tous conduire électriquement à l'avenir et si nous avons besoin de grosses batteries pour stocker l'énergie solaire à la maison, nous aurons également besoin d'une énorme quantité de lithium. » Cela pourrait devenir un problème car les réserves de lithium sont tout sauf infinies.

Sel de cuisine

Les chercheurs pensent que les batteries sodium-ion ont du potentiel. Le nom dit tout :au lieu du lithium, ce type de batterie est à base de sodium, qui se trouve dans le sel de cuisine, entre autres. En théorie, Les batteries Na-ion ne fonctionnent pas aussi bien que les batteries Li-ion, mais l'écart n'est pas si grand. Wagemaker dit, « À l'échelle du laboratoire, Les batteries Na-ion peuvent atteindre une densité d'énergie qui n'est que de 20 à 30 % inférieure à celle des batteries Li-ion. Ils ne sont donc pas compétitifs en matière de téléphones portables ou de voitures électriques. Mais pour les situations où le poids est légèrement moins important, par exemple dans les applications maritimes ou dans les véhicules qui peuvent être chargés fréquemment, ils peuvent être une bonne alternative."

Les batteries Na-ion conviendraient également à une utilisation stationnaire, par exemple, dans un mur électrique à la maison ou dans un parc de batteries qui stocke l'énergie éolienne et solaire. En outre, Les batteries Na-ion offrent plus d'opportunités dans l'utilisation de matières premières pour construire des électrodes positives meilleures et moins chères. Cette polyvalence permet de se débarrasser beaucoup plus facilement du cobalt, par exemple, par rapport aux électrodes positives des batteries Li-ion. Le cobalt est non seulement cher mais pose également un problème éthique du point de vue de l'exploitation du travail.

Infini

Ironiquement, cette polyvalence est aussi la malédiction de la batterie sodium-ion. Les batteries Li-ion ne fonctionnent qu'avec un nombre limité de matières premières et de structures matérielles, et il est relativement clair quelle est la meilleure "recette" pour une cathode. Ce n'est pas le cas pour les batteries Na-ion. "En fonction du cocktail précis d'éléments, vous vous retrouverez avec des différences subtiles dans la structure atomique de l'électrode positive, qui ont un impact majeur sur les performances de la batterie, " explique Wagemaker. " Avec juste une poignée d'éléments, il y a tellement de possibilités structurelles que même le supercalculateur le plus rapide ne peut pas prédire comment les différentes combinaisons vont évoluer. Par conséquent, le développement de nouveaux matériaux est lent."

Au moins, cela a été le cas jusqu'à présent. Mais les chercheurs de Delft et leurs collègues chinois ont trouvé un moyen de prédire la recette idéale pour la cathode. Au niveau atomique, une cathode ressemble beaucoup à un sandwich :elle est composée de plusieurs couches, avec des ions entre les deux. "Au début, il semblait que la taille des ions déterminait la structure atomique, " dit Wagemaker. " Mais il est vite devenu évident que ce n'était pas le seul facteur. La distribution de la charge électrique des ions joue un rôle central."

Géologie

Ce fut une idée cruciale pour les chercheurs car le rapport entre la taille d'un ion et sa charge, le soi-disant "potentiel ionique, " est connu pour avoir une valeur prédictive. " En géologie, cette relation a été utilisée pendant des décennies pour comprendre pourquoi, par exemple, certains oxydes de fer sont plus solubles que d'autres, " dit Wagemaker. " Cela peut révéler quelque chose sur la formation de certaines couches de la terre, ou sur d'autres processus géologiques."

La question était de savoir si cette relation serait également utile à l'échelle atomique. Il s'est avéré que c'était le cas. Les chercheurs ont développé une formule simple basée sur le potentiel ionique. "En utilisant cette formule, nous pouvons prédire quelle structure nous obtiendrons à quel ratio d'une sélection de matières premières, " dit Wagemaker. " La formule nous guide à travers le nombre énorme de possibilités vers les matériaux d'électrode qui peuvent offrir les meilleures performances. "

En hausse

Les chercheurs ont également testé leur formule en concevant de nouveaux matériaux. "Nous avons essayé de fabriquer une cathode avec la densité d'énergie la plus élevée possible, et un que vous pouvez charger très rapidement, " dit Wagemaker. " Dans les deux cas, nous avons réussi. En termes de densité d'énergie, nous étions juste à la limite supérieure de ce qui est possible. J'aime le fait qu'une formule aussi simple, basé sur une idée très ancienne de la géologie, peut faire des prédictions à l'échelle atomique avec une telle précision."

Cette recherche s'est concentrée sur une partie d'une batterie :la cathode. Une prochaine étape logique consiste à examiner également d'autres types de structures, à la fois dans les électrodes et les électrolytes pour divers types de batteries. Cette nouvelle approche peut-elle aussi y jouer un rôle ? Marnix Wagemaker le pense. "Nous allons explorer cela dans la période à venir. Avec cette recherche, nous espérons accélérer le développement de matériaux pour les prochaines générations de batteries."