Des chercheurs sud-coréens ont conçu une batterie sodium-air qui pourrait conduire à des véhicules électriques plus sûrs, plus efficaces et moins coûteux.
Les batteries lithium-ion gagnent en popularité pour les véhicules électriques grâce à leur longue durée de vie, leur haute densité énergétique et leurs coûts de plus en plus bas. De plus, les avancées dans les systèmes de gestion des batteries ont amélioré leur sécurité et leur efficacité, en faisant un choix fiable pour les consommateurs et les industries. Cependant, les batteries métal-air suscitent un intérêt croissant en raison de leur potentiel à surpasser la densité énergétique des batteries lithium-ion de manière substantielle.
Comment fonctionnent les batteries au sodium? Vidéo utilisée avec la permission de Lyth Energy Technology
L’intérêt pour la chimie sodium-air grandit. Le sodium, abondant et moins cher que le lithium, offre une alternative prometteuse. Des chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies de Pohang ont rapporté une batterie sodium-air (Na-air) basée sur Nasicon (Na Super Ionic Conductor). Cet électrolyte solide délivre un potentiel de décharge élevé de 3,4 V et atteint plus de 86% d’efficacité sur 100 cycles. Ce développement pourrait conduire à une batterie abordable, puissante et durable, trois facteurs critiques pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.
Structure cristalline de Nasicon. Image utilisée avec la permission de Wikimedia Commons
Introduction aux Batteries Métal-Air
Les batteries métal-air utilisent l’oxygène de l’air comme réactif, leur permettant d’être beaucoup plus légères et plus denses en énergie car elles n’ont pas besoin de transporter un oxydant encombrant à l’intérieur de la cellule. Cet avantage de conception inhérent pourrait mener à des batteries plus performantes. De plus, les batteries métal-air présentent également un risque d’incendie plus faible par rapport aux lithium-ion. Les batteries lithium-ion sont sujettes à un emballement thermique, où leur température augmente rapidement, entraînant des incendies ou des explosions. Les batteries métal-air ont une composition chimique moins volatile, réduisant le risque d’incidents dangereux.
Malgré ces avantages prometteurs, les batteries métal-air font face à plusieurs défis qui ont entravé leur viabilité commerciale. Les réactions chimiques impliquant l’air forment des sous-produits indésirables qui dégradent la batterie au fil du temps. De plus, les applications pratiques exposent les batteries à des températures variées, des niveaux d’humidité et d’autres facteurs environnementaux affectant leur performance. De plus, les batteries métal-air souffrent généralement d’une faible rechargeabilité, les prototypes actuels ne pouvant supporter que quelques cycles de charge-décharge avant que leur performance ne se détériore.
Surmonter les Défis des Batteries Métal-Air à État Solide
Les chercheurs ont relevé les défis de l’air ambiant dans les batteries en développant des batteries lithium-air à état solide basées sur des électrolytes solides oxydes chimiquement stables. Cependant, bien que des oxydes de lithium et des hydroxydes se forment comme produits de décharge dans ces cellules, ils peuvent encore réagir avec CO2 et H2O dans l’air pour créer des hydroxydes et carbonates de lithium. Grâce à la large fenêtre électrochimique de l’électrolyte solide, ces sous-produits peuvent être décomposés lors de la charge en appliquant une haute surtension, ce qui augmente l’efficacité coulombique.
L’inconvénient du processus est qu’il entraîne une faible efficacité énergétique en raison d’un grand écart de potentiel entre les réactions de charge et de décharge. De plus, les chercheurs de l’Université de Pohang ont rapporté qu’ils ont progressé avec des cellules Na-air quasi-solide, qui utilisent un électrolyte solide Nasicon avec un anolyte et un gel d’électrolyte liquide ionique. Cependant, les batteries Na-O2-air entièrement solides ne sont toujours pas réalisables en raison de la complexité de leur fabrication et de la haute résistance interfaciale.
Batterie Sodium-Air Basée sur des Réactions de Carbonate Réversibles
Dans leur étude publiée dans Nature Communications, les chercheurs de l’Université de Pohang ont rapporté l’utilisation de l’air ambiant comme combustible dans une batterie Na-air basée sur un électrolyte solide Nasicon (Na3Zr2Si2PO12). Elle exploite les réactions électrochimiques réversibles des carbonates pendant les cycles pour atteindre une tension de fonctionnement aussi élevée que 3,4 V. Les chercheurs ont découvert que l’humidité dans l’air réagit avec les produits de décharge comme les hydroxydes pour former une catholyte in-situ, qui agit comme électrolyte et matériau actif pour activer les réactions réversibles des carbonates sur une large zone de réaction active.
De plus, la formation de la catholyte permet à la cellule de subir les mêmes réactions électrochimiques pendant les phases de charge et de décharge, réduisant l’écart de potentiel entre les deux cycles et augmentant l’efficacité énergétique globale. En conséquence, la nouvelle batterie Na-air développée atteint une haute densité énergétique pendant 100 cycles avec des efficacités énergétiques élevées.
Structure et configuration de la batterie Na-air. Image utilisée avec la permission de Park et al.
Les chercheurs ont synthétisé un électrolyte solide dense Nasicon par une réaction à l’état solide à température ambiante. De plus, ils ont préparé un électrolyte solide duplex avec une électrolyte solide dense et poreuse pour réduire la résistance interfaciale entre l’électrode à air et l’électrolyte. La couche poreuse de Nasicon est fabriquée au-dessus de l’électrolyte dense à l’aide d’un processus de sérigraphie.
Cette avancée pourrait signifier des voitures électriques plus abordables et accessibles. Les coûts plus bas associés au sodium par rapport au lithium pourraient réduire le prix global des véhicules électriques, les rendant plus attractifs pour les consommateurs. Par ailleurs, l’efficacité et la stabilité élevées des batteries pourraient se traduire par des véhicules électriques plus durables avec des coûts de maintenance réduits.
Sur le front du stockage d’énergie, la batterie Na-air pourrait fournir une solution plus durable et rentable pour stocker l’énergie renouvelable. Elle pourrait également aider à stabiliser le réseau, même avec des sources d’énergie intermittentes.