Au fur et à mesure que les batteries se chargent et se déchargent, les ions réagissent constamment avec et pénètrent les particules qui composent l'électrode de la batterie. Ce processus de réaction provoque des changements de volume importants dans les particules de l'électrode, souvent en les coupant en petits morceaux. Parce que les ions sodium et potassium sont plus gros que le lithium, on pense traditionnellement qu'ils provoquent une dégradation plus importante lorsqu'ils réagissent avec des particules.

Dans leurs expériences, les réactions qui se produisent à l'intérieur d'une batterie ont été directement observées à l'intérieur d'un microscope électronique, les particules de sulfure de fer jouant le rôle d'électrode de batterie. Les chercheurs ont découvert que le sulfure de fer était plus stable lors de la réaction avec le sodium et le potassium qu'avec le lithium, indiquant qu'une telle batterie à base de sodium ou de potassium pourrait avoir une durée de vie beaucoup plus longue que prévu.

La différence entre la réaction des différents ions était visuellement frappante. Lorsqu'il est exposé au lithium, les particules de sulfure de fer semblaient presque exploser au microscope électronique. Au contraire, le sulfure de fer se dilate comme un ballon lorsqu'il est exposé au sodium et au potassium.

« Nous avons constaté une réaction très robuste sans fracture, ce qui suggère que ce matériau et d'autres matériaux similaires pourraient être utilisés dans ces nouvelles batteries avec une plus grande stabilité dans le temps, " a déclaré Matthew Boebinger, un étudiant diplômé à Georgia Tech.

L'étude met également en doute l'idée que les grands changements de volume qui se produisent au cours de la réaction électrochimique sont toujours un précurseur de la fracture des particules, ce qui provoque une défaillance des électrodes entraînant une dégradation de la batterie.

Les chercheurs ont suggéré qu'une des raisons possibles de la différence dans la façon dont les différents ions réagissaient avec le sulfure de fer est que le lithium était plus susceptible de concentrer sa réaction le long des bords tranchants en forme de cube de la particule, alors que la réaction avec le sodium et le potassium était plus diffuse sur toute la surface de la particule de sulfure de fer. Par conséquent, la particule de sulfure de fer en réagissant avec le sodium et le potassium a développé une forme plus ovale avec des bords arrondis.

Bien qu'il reste encore du travail à faire, les nouveaux résultats de la recherche pourraient aider les scientifiques à concevoir des systèmes de batterie qui utilisent ces types de nouveaux matériaux.

« Les batteries au lithium sont toujours les plus attrayantes en ce moment car elles ont la densité d'énergie la plus élevée - vous pouvez emballer beaucoup d'énergie dans cet espace, " a déclaré McDowell. " Les batteries au sodium et au potassium n'ont pas plus de densité à ce stade, mais ils reposent sur des éléments mille fois plus abondants dans la croûte terrestre que le lithium. Ils pourraient donc être beaucoup moins chers à l'avenir, ce qui est important pour le stockage d'énergie à grande échelle – l'alimentation de secours pour les maisons ou le réseau énergétique du futur. »