Les piles rechargeables économiques sont au cœur de pratiquement tous les appareils électroniques portables, qui sont devenus omniprésents dans la vie quotidienne moderne. De plus, les batteries rechargeables sont des composants essentiels dans de nombreuses technologies respectueuses de l'environnement, comme les voitures électriques et les systèmes qui récoltent de l'énergie renouvelable. Ils sont également des catalyseurs clés de divers dispositifs médicaux et facilitent la recherche dans divers domaines en tant que source d'énergie de capteurs électroniques et de caméras. Donc, il ne faut pas s'étonner que beaucoup d'efforts soient consacrés au développement de batteries rechargeables meilleures et moins chères.

Jusque là, les batteries lithium-ion rechargeables occupent la première place grâce à leurs excellentes performances globales en termes de capacité, stabilité, le prix, et le temps de charge. Cependant, lithium, et d'autres métaux mineurs et coûteux comme le cobalt et le cuivre, ne font pas partie des matériaux les plus abondants sur la croûte terrestre, et leur demande toujours croissante entraînera bientôt des problèmes d'approvisionnement dans le monde entier. À l'Université des sciences de Tokyo, Japon, Le professeur Shinichi Komaba et ses collègues se sont efforcés de trouver une solution à cette énigme qui s'aggrave en développant des batteries rechargeables utilisant des alternatives, matériaux plus abondants.

Dans une étude récente publiée dans Angewandte Chemie Édition Internationale , l'équipe a trouvé une méthode économe en énergie pour produire un nouveau matériau à base de carbone pour les batteries sodium-ion. Outre le professeur Komaba, l'équipe comprenait également Mme Azusa Kamiyama et le professeur associé Kei Kubota de l'Université des sciences de Tokyo, Dr Yong Youn et Dr Yoshitaka Tateyama de l'Institut national des sciences des matériaux, Japon, et le professeur associé Kazuma Gotoh de l'Université d'Okayama, Japon. L'étude a porté sur la synthèse de carbone dur, un matériau très poreux qui sert d'électrode négative aux batteries rechargeables, grâce à l'utilisation d'oxyde de magnésium (MgO) comme modèle inorganique de pores de taille nanométrique à l'intérieur du carbone dur.

Les chercheurs ont exploré une technique différente pour mélanger les ingrédients du modèle MgO afin d'ajuster avec précision la nanostructure de l'électrode de carbone dur résultante. Après de multiples analyses expérimentales et théoriques, ils ont élucidé les conditions de fabrication optimales et les ingrédients pour produire du carbone dur d'une capacité de 478 mAh/g, le plus élevé jamais enregistré dans ce type de matériel. Le professeur Komaba déclare, "Jusqu'à maintenant, la capacité des matériaux d'électrode négative à base de carbone pour les batteries sodium-ion était principalement d'environ 300 à 350 mAh/g. Bien que des valeurs proches de 438 mAh/g aient été signalées, ces matériaux nécessitent un traitement thermique à des températures extrêmement élevées supérieures à 1900°C. En revanche, nous avons utilisé un traitement thermique à seulement 1500°C, une température relativement basse." Bien sûr, une température plus basse entraîne une dépense énergétique moindre, ce qui signifie également un coût moindre et un impact environnemental moindre.

La capacité de ce matériau d'électrode en carbone dur nouvellement développé est certainement remarquable, et surpasse largement celui du graphite (372 mAh/g), qui est actuellement utilisé comme matériau d'électrode négative dans les batteries lithium-ion. De plus, même si une batterie sodium-ion avec cette électrode négative en carbone dur fonctionnerait en théorie à une différence de tension inférieure de 0,3 volt à celle d'une batterie lithium-ion standard, la capacité plus élevée du premier conduirait à une densité énergétique massique beaucoup plus importante (1600 Wh/kg contre 1430 Wh/kg), résultant en une augmentation de +19% de la densité énergétique.

Enthousiasmé par les résultats et avec ses yeux tournés vers l'avenir, Remarques du professeur Komaba, "Notre étude prouve qu'il est possible de réaliser des batteries sodium-ion à haute énergie, renversant la croyance commune selon laquelle les batteries lithium-ion ont une densité énergétique plus élevée. Le carbone dur à très haute capacité que nous avons développé a ouvert une porte vers la conception de nouveaux matériaux de stockage du sodium."

Des études supplémentaires seront nécessaires pour vérifier que le matériau proposé offre réellement une durée de vie supérieure, caractéristiques d'entrée-sortie, et fonctionnement à basse température dans les batteries sodium-ion réelles. Avec de la chance, nous sommes peut-être sur le point d'assister à la prochaine génération de batteries rechargeables !