Comment une astuce de physique vieille de 270 ans pourrait faire exploser la technologie des batteries abordables
Des chercheurs associent la physique historique à l'ingénierie moderne des matériaux pour créer des piles au sodium durables
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Il y a environ 270 ans, le Dr Johann Gottlob Leidenfrost, originaire d'Allemagne, a observé un comportement particulier des gouttelettes d'eau sur des surfaces métalliques chauffées. Dans son manuscrit intitulé "A Tract About Some Qualities of Common Water", il a décrit comment l'eau glissait sur des surfaces métalliques surchauffées comme si le frottement avait cessé d'exister. Ce phénomène se produit lorsque l'eau ou tout autre liquide forme un coussin de vapeur sur des surfaces bien supérieures à leur point d'ébullition, ce qui leur permet de glisser sans être touchés.
Synthèse assistée par Leidenfrost d'un matériau de cathode peu coûteux et évolutif pour les batteries sodium-ion.
Clean Energy Research Group at the Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal, India
Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Leidenfrost, explique pourquoi les poêles en acier inoxydable deviennent soudainement antiadhésives lorsqu'elles sont chauffées à haute température. Mais comment une observation vieille de 270 ans pourrait-elle avoir une incidence sur la conception de systèmes de stockage d'énergie durable ? Dans une étude récemment publiée dans Small, une équipe de chercheurs de l'Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal, de l'Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), de l'université de Swansea et de l'université de Southern Queensland a étudié comment cet effet physique inhabituel peut contribuer à créer des batteries plus stables et plus durables, et devenir une alternative pratique à la technologie lithium-ion (Li-ion).
À l'heure où le monde s'oriente vers les énergies renouvelables, la demande de meilleures batteries n'a jamais été aussi forte. "Les batteries lithium-ion alimentent actuellement tout, de nos smartphones aux voitures électriques", explique le Dr Rohit Ranganathan Gaddam. Il est l'un des principaux auteurs de l'étude et professeur adjoint à l'IISER Bhopal, où il dirige le groupe de recherche sur les énergies propres et s'attache à surmonter les goulets d'étranglement des systèmes actuels de stockage de l'énergie. "Cependant, le lithium est relativement rare et coûteux à extraire, ce qui rend nécessaire une alternative plus verte et rentable.
Le sodium est depuis longtemps considéré comme un substitut potentiel du lithium. Élément omniprésent dans l'eau de mer, le sel et même le sang, le sodium est bon marché et facile à obtenir. Cela fait des batteries sodium-ion un candidat de choix pour le stockage de l'énergie à grande échelle, en particulier pour les énergies renouvelables. Mais l'encombrement des ions sodium constitue un obstacle de taille. Les ions les plus lourds finissent par étouffer et user la cathode, la borne positive d'une batterie qui sert de voûte énergétique. Pour qu'une batterie au sodium fonctionne bien, le matériau utilisé pour sa cathode doit permettre aux ions sodium de se déplacer rapidement et de manière répétée sans endommager sa structure. Il existe de nombreux matériaux prometteurs, mais ils manquent souvent de rapidité, de stabilité ou de durabilité à long terme.
"Nous avons décidé de construire la bonne infrastructure cathodique, une autoroute atomique, pour que les ions sodium puissent passer en trombe", ajoute Subhajit Singha, premier auteur et titulaire d'un doctorat à l'IISER Bhopal. L'équipe a utilisé Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), un mélange phosphate-pyrophosphate à base de fer qui forme naturellement une structure stable en 3D ressemblant à un tunnel. Connaissant les inconvénients des matériaux cathodiques à base de fer en termes de conductivité et d'énergie, les chercheurs ont expérimenté en ajoutant une petite fraction d'indium au mélange.
Ils ont observé qu'en remplaçant seulement 1 % des atomes de fer par de l'indium, l'espacement atomique au sein du matériau cathodique potentiel augmentait, sans altération de son schéma fondamental. Cela a permis aux ions sodium de se faufiler plus facilement et d'améliorer la conductivité électronique du matériau de la cathode, une caractéristique des batteries de haute performance.
Outre les modifications apportées à la recette du matériau de la cathode, l'équipe a également introduit une nouveauté dans son processus de fabrication. "Nous avons exploité les bases de l'effet Leidenfrost pour fabriquer des matériaux de cathode qui durent plus longtemps et dépassent les normes actuellement disponibles sur le marché", a déclaré le Dr Gaddam. Les chercheurs ont pulvérisé le mélange chimique sur une surface métallique suffisamment chaude pour déclencher l'effet Leidenfrost. Lorsque les gouttelettes ont touché la plaque brûlante, elles ont subi une évaporation rapide, se sont fondues en particules poreuses et ont été cuites sous forme de poudre. Cette méthode rapide et écologique permet d'éviter les fours gourmands en énergie et de produire des grains en forme d'éponge qui absorbent le liquide électrolytique pour faciliter le transport du sodium.
Des mesures avancées et des simulations informatiques ont permis de mieux comprendre la restructuration au niveau atomique. Les résultats ont mis en évidence la manière dont l'indium réarrange subtilement la structure atomique, élargissant les voies de passage des ions, abaissant les barrières énergétiques, améliorant la conductivité et conservant intacte la structure cristalline du matériau de la cathode potentielle sur des milliers de cycles.
"Le matériau de cathode optimisé a démontré une densité énergétique élevée de ~359 Wh kg-1 et une durabilité remarquable avec des performances stables sur 10 000 cycles de charge-décharge", a déclaré le Dr Raghavan Ranganathan, co-auteur et professeur associé au département d'ingénierie des matériaux de l'IITGN. À titre de comparaison, la plupart des batteries de téléphone ou d'ordinateur portable ne durent que quelques centaines de cycles. Le matériau cathodique généré est donc idéal pour le stockage des énergies renouvelables dans les systèmes qui nécessitent des performances durables.
Pour l'Inde, qui vise 500 GW d'énergies renouvelables d'ici 2030, une version à grande échelle et testée industriellement des batteries sodium-ion avec la nouvelle cathode pourrait signifier un stockage abordable sur le réseau pour exploiter l'énergie solaire et éolienne sans coupure de courant. "Notre étude montre qu'une modification stratégique au niveau atomique, associée à une voie de synthèse simple et évolutive, peut débloquer des performances jusqu'alors hors de portée pour les cathodes de batteries sodium-ion", a déclaré le Dr Gaddam.
Conformément aux missions énergétiques nationales et aux objectifs de développement durable 7 (énergie propre abordable) et 11 (action pour le climat) des Nations unies, l'étude constitue une étape vers la réduction de la dépendance au lithium, la facilitation de chaînes d'approvisionnement plus équitables et le stockage abordable de l'énergie verte. "Cette fusion d'expertises expérimentales et informatiques entre institutions et continents prouve que des bizarreries historiques comme le Leidenfrost peuvent déclencher des centres modernes d'innovation durable", a fait remarquer le Dr Ranganathan.
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
Subhajit Singha, Yuvraj Soni, Sharad Dnyanu Pinjari, Tasdique Arman, Rui Tan, Raghavan Ranganathan, Ashok Kumar Nanjundan, Rohit Ranganathan Gaddam; "Leidenfrost‐Assisted Synthesis of Indium‐Substituted Mixed Phosphate Cathodes with Superior Cycling Stability and Enhanced Sodium Storage Kinetics"; Small, 2026-2-4
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