Batteries sodium-ion : nouveau mécanisme de stockage pour les matériaux cathodiques
Une nouvelle approche permet d'envisager sous un angle nouveau la conception de piles à haut rendement et à charge rapide
Les batteries Li-ion et Na-ion fonctionnent grâce à un processus appelé intercalation, dans lequel les ions sont stockés et échangés entre deux électrodes chimiquement différentes. En revanche, la co-intercalation, un processus dans lequel les ions et les molécules de solvant sont stockés simultanément, est traditionnellement considérée comme indésirable en raison de sa tendance à provoquer une défaillance rapide de la batterie. À l'encontre de ce point de vue traditionnel, une équipe de recherche internationale dirigée par Philipp Adelhelm vient de démontrer que la co-intercalation peut être un processus réversible et rapide pour les matériaux de cathode dans les batteries Na-ion. L'approche consistant à stocker conjointement des ions et des solvants dans les matériaux cathodiques offre une nouvelle possibilité de concevoir des batteries à haut rendement et à capacité de charge rapide. Les résultats sont publiés dans Nature Materials.
Les performances des batteries dépendent de nombreux facteurs. Elle dépend notamment de la manière dont les ions sont stockés dans les matériaux d'électrode et de la possibilité de les libérer à nouveau. En effet, les porteurs de charge (ions) sont relativement grands et peuvent provoquer un changement de volume indésirable lorsqu'ils migrent dans l'électrode. Cet effet, connu sous le nom de "respiration", réduit la durée de vie de la batterie. Le changement de volume est particulièrement prononcé lorsque les ions sodium migrent avec des molécules de l'électrolyte organique. Cette co-intercalation est généralement considérée comme préjudiciable à la durée de vie des piles. Toutefois, une équipe de recherche internationale dirigée par Philipp Adelhelm a étudié des matériaux de cathode qui permettent la co-intercalation des ions et des molécules de solvant, ce qui accélère les processus de charge et de décharge.
Co-intercalation dans les anodes
Dans des études antérieures, l'équipe a étudié la co-intercalation dans des anodes en graphite, démontrant que le sodium pouvait migrer rapidement et de manière réversible dans et hors de l'électrolyte pendant de nombreux cycles lorsqu'il était combiné à des molécules de glyme. Néanmoins, il restait difficile de prouver le même concept pour les matériaux de cathode. Pour relever ce défi, l'équipe a exploré une gamme de sulfures de métaux de transition en couches et a identifié les processus de co-intercalation des solvants dans les matériaux de cathode. Le processus de co-intercalation pourrait être utilisé pour développer des batteries très efficaces et à chargement plus rapide. C'est pourquoi nous avons voulu étudier ce sujet plus en détail", explique le professeur Philipp Adelhelm.
Co-intercalation dans les cathodes : un processus différent
L'étude intègre des recherches détaillées menées au cours des trois dernières années : Le Dr Yanan Sun a effectué des mesures de changement de volume dans les matériaux de la cathode, a réalisé des analyses structurelles à l'aide du rayonnement synchrotron à PETRA III chez DESY et a étudié les propriétés électrochimiques pour diverses combinaisons d'électrodes et de solvants. En s'appuyant sur la théorie, en collaboration avec le Dr Gustav Åvall, des paramètres importants ont pu être identifiés pour aider à prédire les réactions de co-intercalation à l'avenir.
Avantage : Cinétique ultra-rapide
Le processus de co-intercalation dans les matériaux cathodiques diffère considérablement de ce qui se passe dans les anodes en graphite", explique Yanan Sun. Alors que les réactions de co-intercalation dans les anodes en graphite aboutissent généralement à des électrodes de faible capacité, la perte de capacité causée par la co-intercalation dans les matériaux cathodiques étudiés est très faible. Surtout, certains matériaux de cathode offrent un avantage considérable : la cinétique est très rapide, presque comme celle d'un supercondensateur ! souligne M. Sun.
Un vaste paysage chimique pour de nouveaux matériaux
La véritable beauté des réactions de co-intercalation réside dans leur capacité à offrir un vaste paysage chimique pour la conception de nouveaux matériaux stratifiés destinés à diverses applications", explique M. Adelhelm. L'exploration du concept de co-intercalation était extrêmement risquée, car elle va à l'encontre des connaissances classiques en matière de piles. J'ai donc été très reconnaissant au Conseil européen de la recherche de financer cette idée par le biais d'une subvention de consolidation du CER. Les résultats sont le fruit d'une collaboration entre de nombreuses personnes talentueuses et n'auraient pas été possibles sans les opportunités offertes par le groupe de recherche commun sur l'analyse de batterie operando financé par le Helmholtz-Zentrum Berlin et l'université Humboldt", ajoute-t-il. Le laboratoire de batteries de Berlin récemment annoncé par HZB, HU et BAM offrira encore plus de possibilités de projets de recherche conjoints à Berlin.
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Publication originale
Yanan Sun, Gustav Åvall, Shu-Han Wu, Guillermo A. Ferrero, Annica Freytag, Pedro B. Groszewicz, Hui Wang, Katherine A. Mazzio, Matteo Bianchini, Volodymyr Baran, Sebastian Risse, Philipp Adelhelm: Nature Materials (2025): Solvent co-intercalation in layered cathode active materials for sodium-ion batteries
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