Une nouvelle conception d'anodes à noyau-coquille augmente considérablement les performances des batteries sodium-ion
Les chercheurs recouvrent le carbone poreux d'une couche filtrante qui laisse passer les ions sodium tout en empêchant les molécules d'électrolyte perturbatrices d'entrer
Annonces
Les batteries sodium-ion sont considérées comme une alternative prometteuse et durable aux batteries lithium-ion. Toutefois, les pertes de stockage élevées au cours du premier cycle de charge ont jusqu'à présent ralenti leur développement. Des chercheurs de l'Institut fédéral de recherche et d'essai des matériaux (BAM) ont maintenant mis au point un modèle d'anode qui allie efficacité et capacité de stockage élevée.
La perte irréversible de la capacité de stockage lors de la première charge - alors que la batterie est encore en cours de fabrication - est due à une réaction chimique entre l'anode et l'électrolyte, le liquide conducteur de la batterie. Au cours de ce processus, les molécules d'électrolyte se décomposent au niveau de l'anode en carbone dur et pénètrent dans ses pores. Elles occupent les "espaces vides" qui sont en fait destinés au stockage des ions sodium. Ce processus ne s'arrête que lorsqu'un film protecteur stable s'est formé sur l'anode.
Ce film protège l'anode contre une décomposition ultérieure par l'électrolyte, mais consomme une partie de l'énergie stockée, car il est lui-même constitué en partie d'ions sodium. Il lie donc les porteurs de charge qui sont responsables du transport de la charge dans la batterie.
Un nouveau matériau d'anode est nécessaire
Ce problème ne se pose pratiquement jamais dans les batteries lithium-ion, car la couche protectrice se forme plus facilement sur les anodes denses en graphite, ce qui signifie que l'efficacité de la batterie est généralement supérieure à 90 %. Toutefois, le sodium ne peut pas être stocké dans le graphite. Ce type de batterie nécessite donc généralement un autre matériau d'anode, et les carbones durs se sont avérés être le meilleur choix - à l'exception des inconvénients susmentionnés lors du premier processus de charge.
Conception innovante cœur-coquille
Pour résoudre ce problème, l'équipe de BAM a mis au point un concept innovant de noyau-coquille pour l'anode. "Nous nous sommes rendu compte qu'il était impossible d'obtenir de grandes capacités de stockage et une formation de film efficace avec les batteries sodium-ion utilisant un seul matériau", explique Tim-Patrick Fellinger, expert en matériaux énergétiques au BAM. "Cela s'explique par le fait que les matériaux qui conviennent le mieux au stockage sont plus susceptibles de subir des pertes lors de la formation du film.
Les chercheurs ont mis au point un procédé qui consiste à recouvrir un carbone dur poreux, semblable à une éponge, utilisé comme matériau de stockage au cœur de l'anode, d'une couche très fine qui agit comme un filtre : elle laisse passer les ions sodium souhaités mais empêche les molécules d'électrolyte perturbatrices de pénétrer dans l'anode. Cela préserve la capacité de stockage de l'anode et permet à la batterie de conserver ses performances pendant de nombreux cycles de charge. Le matériau personnalisé est basé sur le charbon actif, un matériau peu coûteux et respectueux de l'environnement, ce qui rend la technologie économiquement intéressante. Les résultats viennent d'être publiés dans la revue Angewandte Chemie.
Amélioration simultanée de l'efficacité et de la capacité de stockage
Les matériaux développés dans le cadre de l'étude atteignent déjà un rendement initial de 82 % - sans revêtement, ce rendement est de 18 %. L'équipe du BAM estime que d'autres progrès sont probables. La séparation de la "formation", le terme technique pour la formation d'un film, et du stockage permet d'améliorer simultanément l'efficacité et la capacité de stockage grâce à des développements de matériaux distincts. Jusqu'à présent, les progrès dans le domaine des batteries ont principalement été réalisés grâce à des innovations matérielles du côté de la cathode. Ici, nous sommes proches des limites théoriques. En ce qui concerne les matériaux d'anode, en revanche, on ne sait toujours pas où se situent ces limites et quelles innovations en matière de développement de matériaux - mot-clé : matériaux avancés - peuvent être utilisées pour réaliser de nouveaux progrès", explique Paul Appel, de l'équipe.
Poursuite du développement au Berlin Battery Lab
Le matériau de l'anode sera développé au Berlin Battery Lab (BBL), une collaboration entre le BAM, le Helmholtz Zentrum Berlin et la Humboldt Universität Berlin. Le Berlin Battery Lab rassemble l'expertise de pointe des trois institutions de recherche dans le domaine des technologies de batteries durables et offre à l'industrie une plateforme unique qui accélère la transformation des innovations en produits prêts à être commercialisés.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Paul Alexander Appel, Carsten Prinz, Jian Liang Low, Nahom Enkubahri Asres, Shu‐Han Wu, Annica Freytag, Jonas Krug von Nidda, Nader Amadeu de Sousa, Tim‐Patrick Fellinger; "Core‐Shell: Resolving the Dilemma of Hard Carbon Anodes by Sealing Nanoporous Particles With Semi‐Permeable Coatings"; Angewandte Chemie International Edition, 2026-1-22
Autres actualités du département science
