Des chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich ont réussi pour la première fois à produire des nanocristaux d'antimoine uniformes. Testé en tant que composants de batteries de laboratoire, ceux-ci sont capables de stocker un grand nombre d'ions lithium et sodium. Ces nanomatériaux fonctionnent à haut débit et pourraient éventuellement être utilisés comme matériaux d'anode alternatifs dans les futures batteries à haute densité énergétique.
La chasse est lancée – pour de nouveaux matériaux à utiliser dans la prochaine génération de batteries qui pourraient un jour remplacer les batteries lithium-ion actuelles. Aujourd'hui, ces derniers sont monnaie courante et fournissent une source d'alimentation fiable pour les smartphones, ordinateurs portables et de nombreux autres appareils électriques portables. D'un côté, cependant, la mobilité électrique et le stockage d'électricité stationnaire nécessitent un plus grand nombre de batteries plus puissantes; et la forte demande de lithium peut éventuellement conduire à une pénurie de la matière première. C'est pourquoi une technologie conceptuellement identique à base d'ions sodium recevra une attention croissante dans les années à venir. Bien que recherché depuis 20 ans, les matériaux pouvant stocker les ions sodium restent rares.
Électrodes d'antimoine ?
Une équipe de l'Empa et de l'ETH Zurich dirigée par le chercheur de l'Empa Maksym Kovalenko a peut-être fait un pas de plus vers l'identification de matériaux de batterie alternatifs :ils sont devenus les premiers à synthétiser des nanocristaux d'antimoine uniformes, dont les propriétés spéciales en font des candidats de choix pour un matériau d'anode pour les batteries lithium-ion et sodium-ion. Les résultats de l'étude des scientifiques viennent d'être publiés dans Lettres nano .
Pendant longtemps, l'antimoine a été considéré comme un matériau d'anode prometteur pour les batteries lithium-ion hautes performances car ce métalloïde présente une capacité de charge élevée, d'un facteur deux supérieur à celui du graphite couramment utilisé. Les premières études ont révélé que l'antimoine pourrait convenir aux batteries rechargeables au lithium et aux ions sodium, car il est capable de stocker les deux types d'ions. Le sodium est considéré comme une alternative possible à faible coût au lithium car il est beaucoup plus abondant naturellement et ses réserves sont mieux réparties sur Terre.
Pour que l'antimoine atteigne sa capacité de stockage élevée, cependant, il doit être produit sous une forme spéciale. Les chercheurs ont réussi à synthétiser chimiquement des nanocristaux d'antimoine uniformes – dits « monodispersés » – mesurant entre dix et vingt nanomètres. Les nanocristaux ont un avantage décisif sur les particules de plus grande taille :la lithiation complète ou la sodiation de l'antimoine entraîne des changements volumétriques importants. À l'aide de nanocristaux, ces modulations du volume peuvent être réversibles et rapides, et ne conduisent pas à la rupture immédiate du matériau. Un avantage supplémentaire important des nanocristaux (ou nanoparticules) est qu'ils peuvent être mélangés avec une charge de carbone conductrice afin d'empêcher l'agrégation des nanoparticules.
Candidat idéal pour le matériau d'anode
Des tests électrochimiques ont montré que les électrodes constituées de nanocristaux d'antimoine fonctionnent aussi bien dans les batteries au sodium que dans les batteries lithium-ion. Cela rend l'antimoine particulièrement prometteur pour les batteries au sodium car les meilleurs matériaux d'anode stockant le lithium (graphite et silicium) ne fonctionnent pas avec du sodium.
Nanocristaux hautement monodispersés, avec un écart de taille de dix pour cent ou moins, permettent d'identifier la relation taille-performance optimale. Les nanocristaux de dix nanomètres ou moins souffrent d'oxydation en raison de la surface excessive. D'autre part, les cristaux d'antimoine d'un diamètre de plus de 100 nanomètres ne sont pas suffisamment stables en raison de l'expansion et de la contraction massives susmentionnées du volume pendant le fonctionnement d'une batterie. Les chercheurs ont obtenu les meilleurs résultats avec des particules de 20 nanomètres.
Un autre résultat important de l'étude, permis par ces particules ultra-uniformes, est que les chercheurs ont identifié une plage de taille d'environ 20 à 100 nanomètres, dans lequel ce matériau se montre excellent, performances indépendantes de la taille, à la fois en termes de densité énergétique et de capacité de débit. Ces caractéristiques permettent même d'utiliser des particules d'antimoine polydispersées pour obtenir les mêmes performances qu'avec des particules très monodisperses, tant que leurs tailles restent dans cette gamme de taille de 20 à 100 nanomètres. Les expériences du groupe de Kovalenko sur des nanoparticules monodisperses d'autres matériaux montrent des relations taille-performance beaucoup plus raides telles qu'une décroissance rapide des performances avec l'augmentation de la taille des particules, plaçant l'antimoine dans une position unique parmi les matériaux qui s'allient avec le lithium et le sodium. "Cela simplifie grandement la tâche de trouver une méthode de synthèse économiquement viable", dit Kovalenko. "Le développement d'une telle synthèse rentable est la prochaine étape pour nous, avec notre partenaire industriel."
Alternative plus chère
Cela signifie-t-il qu'une alternative aux batteries lithium-ion d'aujourd'hui est à notre portée ? Kovalenko secoue la tête. Bien que la méthode soit relativement simple, la production d'un nombre suffisant de nanocristaux d'antimoine uniformes de haute qualité est encore trop coûteuse. "En tout, les batteries avec des ions sodium et des nanocristaux d'antimoine comme anodes ne constitueront une alternative très prometteuse aux batteries lithium-ion d'aujourd'hui que si les coûts de production seront comparables, " il dit.
Il faudra probablement encore une dizaine d'années avant qu'une batterie sodium-ion avec électrodes à l'antimoine ne puisse arriver sur le marché. La recherche sur le sujet n'en est encore qu'à ses balbutiements. "Toutefois, d'autres groupes de recherche se joindront bientôt aux efforts, " le chimiste en est convaincu.
En bref :les batteries lithium-ion
Une batterie lithium-ion actuelle comprend deux électrodes – une cathode et une anode. L'anode est souvent en graphite, la cathode d'oxydes métalliques tels que l'oxyde de cobalt. Les ions lithium se logent dans ces matériaux lors des processus de charge ou de décharge. Les deux électrodes sont séparées par un séparateur perméable uniquement aux ions lithium circulant entre les deux électrodes. Pendant la décharge de la batterie, les ions lithium se déplacent de l'anode vers la cathode. Les électrons font un « détour » via un dispositif électronique externe, qui est alimenté par le flux d'électrons résultant. Les électrons et les ions se rencontrent à nouveau à la cathode. Lorsque la batterie est en charge, les ions lithium et les électrons circulent dans la direction opposée. Pour que la batterie fonctionne efficacement et longtemps, les ions doivent pouvoir entrer et sortir facilement des matériaux d'électrode. La forme et la taille des matériaux d'électrode ne devraient pas beaucoup changer par l'absorption et la libération récurrentes des ions.
