Décodage des processus de vieillissement des batteries à sels fondus sodium-zinc
Observation directe des cycles de charge par rayons X
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Jusqu'à présent, il n'a été possible que de déduire indirectement pourquoi les batteries à haute température perdent de leur efficacité et de leur durabilité en cours d'utilisation. Pour la première fois, une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a utilisé la radiographie à rayons X dite "operando" pour observer directement une batterie sodium-zinc à sel fondu à environ 600 degrés Celsius. Les images révèlent des processus auparavant cachés et montrent que, dans des conditions de fonctionnement réelles, les couches de séparation à l'intérieur de la batterie peuvent s'avérer problématiques. Ces résultats fournissent des informations importantes pour de nouveaux concepts de cellules simplifiées pour le stockage de l'énergie à grande échelle.
Conception d'une batterie à métal liquide - Projet Solstice
HZDR / Blaurock
Les batteries à sels fondus sodium-zinc sont considérées comme une option très prometteuse pour le stockage stationnaire de l'énergie. Mais elles vieillissent trop vite. "Ces systèmes ont un grand potentiel car le sodium et le zinc sont peu coûteux et facilement disponibles", explique le Dr Norbert Weber. En tant que coordinateur du projet européen SOLSTICE, le scientifique du HZDR a étudié systématiquement différents concepts de stockage sodium-zinc. "En même temps, nous ne comprenions pas bien pourquoi les cellules perdent autant de leur efficacité pendant leur utilisation. L'un des avantages de la technologie à haute température est que les métaux sont liquides à plusieurs centaines de degrés Celsius et peuvent être transportés très rapidement. Mais c'est précisément cette dynamique qui rend les systèmes difficiles à contrôler.
Pendant longtemps, il n'a été possible que de déduire indirectement pourquoi les batteries à sels fondus sodium-zinc vieillissent prématurément. Les mesures électrochimiques classiques enregistrent certes le courant et la tension, mais elles ne donnent pas une image complète des processus qui se déroulent à l'intérieur des cellules. "Notre batterie est entièrement liquide. Ce qui s'y passe est très dynamique", explique Martins Sarma, auteur principal de l'étude. "Mais nous ne pouvons pas simplement ouvrir une batterie pour regarder à l'intérieur pendant qu'elle fonctionne. Et si nous la laissons refroidir, les structures changent fondamentalement".
Observer directement les cycles de charge aux rayons X
Pour visualiser néanmoins ces processus, l'équipe a utilisé la radiographie X operando, une méthode d'imagerie qui lui a permis pour la première fois de suivre directement la charge et la décharge dans des conditions de fonctionnement réelles. Elle a révélé les mouvements du sodium, du zinc et de l'électrolyte qui déterminent l'efficacité et la longévité de la batterie. Les images ont permis d'obtenir une vue étonnamment claire d'un élément considéré comme indispensable dans de nombreux concepts de cellules : le séparateur. Il s'agit d'une couche de séparation poreuse entre les électrodes qui empêche le contact direct entre le sodium et le zinc et qui est donc censée prévenir les réactions secondaires indésirables.
Les rayons X révèlent toutefois qu'en cours de fonctionnement, le zinc peut s'accumuler dans la zone du séparateur. Il perd alors le contact électrique avec l'électrode et n'est plus disponible pour continuer à alimenter la batterie. "C'est un peu comme si un matériau était coincé dans un tamis", explique Natalia Shevchenko, qui travaille sur le stockage électrochimique de l'énergie et son analyse au HZDR. "Au fil du temps, de plus en plus de zinc actif est perdu, un mécanisme qui contribue à expliquer le vieillissement des cellules.
Les résultats montrent surtout une chose : les séparateurs dans les batteries sodium-zinc à sels fondus ne sont pas des composants passifs ; ils influencent considérablement le fonctionnement et le vieillissement des cellules. Lors d'expériences supplémentaires excluant un séparateur, les scientifiques ont observé que le zinc n'adhérait pas à une barrière solide et ne se perdait pas de manière permanente. Dans le même temps, l'autodécharge augmentait, car le sodium et le zinc entraient plus facilement en contact. Cette comparaison montre clairement que les séparateurs doivent être réévalués dans des conditions de haute température.
Sur cette base, l'équipe travaille maintenant à des améliorations spécifiques du concept de cellule. L'objectif est de mieux contrôler le transport des substances entre les phases liquides sans devoir recourir à des composants complexes ou coûteux. À long terme, cela devrait permettre de produire des solutions robustes, simples et économiques qui faciliteront l'utilisation des batteries sodium-zinc à sels fondus pour le stockage de l'énergie à grande échelle, y compris en dehors des laboratoires.
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
M. Sarma, N. Shevchenko, N. Weber, T. Weier, Operando characterisation of Na-Zn molten salt batteries using X-ray radiography: insights into performance degradation and cell failure, in Energy Storage Materials, 2025.
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