Les liants haute densité utilisés pour développer les électrodes de carbone dur dans l’étude ont considérablement amélioré la stabilité et la capacité de fonctionnement des batteries sodium-ion, ouvrant ainsi la voie à leur commercialisation. Crédit : Noriyoshi Matsumi de JAIST
Les chercheurs ont amélioré les performances des électrodes de carbone dur dans les batteries sodium-ion en utilisant un nouveau liant acide polyfumarique à haute densité fonctionnelle.
Les batteries lithium-ion constituent une technologie de pointe en matière de stockage d'énergie, mais la disponibilité limitée du lithium pose des défis. À mesure que la demande de systèmes de stockage d’énergie augmente, on s’efforce de trouver des matériaux abordables et facilement disponibles pour les batteries rechargeables. Les batteries sodium-ion (SIB) sont apparues comme une alternative prometteuse, s’appuyant sur les abondantes ressources en sodium trouvées dans l’eau de mer et les gisements de sel.
De nombreuses recherches ont été menées pour améliorer les matériaux des électrodes positives (cathodes), des électrodes négatives (anodes) et des électrolytes afin d'améliorer la stabilité à long cycle et d'obtenir une interface électrolyte solide (SEI) fine pour les SIB. Un SEI est une couche passive formée sur la surface de l'anode pendant les cycles initiaux de charge/décharge, qui empêche l'anode de se dégrader en raison des réactions avec l'électrolyte.
Un SEI bien formé est crucial pour les performances de la batterie. Dans ce contexte, le carbone dur (HC) est apparu comme un matériau d’anode prometteur. Néanmoins, sa commercialisation a été difficile car elle forme un SEI inégal, épais et faible en raison de la consommation accrue d’électrolyte, ce qui réduit la stabilité de charge/décharge et les vitesses de réaction. Pour résoudre ces problèmes, des liants tels que les sels de carboxyméthylcellulose, les poly(acryliques acide) et du poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) ont été utilisés. Cependant, ces liants provoquent une diffusion lente des ions Na dans l'anode, ce qui entraîne une faible capacité de débit des SIB à base de HC.
Percée au JAIST
Pour surmonter ces lacunes, le professeur Noriyoshi Matsumi et l'étudiant au doctorat Amarshi Patra de l'Institut avancé des sciences et technologies du Japon (JAIST) ont développé une anode HC utilisant un liant poly (acide fumarique) (PFA). Leurs conclusions ont été publiées dans le Journal de chimie des matériaux A le 10 mai 2024.
Expliquant les avantages du PFA, le professeur Matsumi déclare : « Contrairement aux liants poly(acide acrylique) conventionnels, le PFA est un polymère à haute densité fonctionnelle avec de l'acide carboxylique présent sur tous les atomes de carbone de la chaîne principale. Cela permet au PFA d'améliorer la diffusion des ions Na en raison de la présence de sites de sauts d'ions hautement concentrés et d'adhérer plus fortement à l'électrode. De plus, les liants PFA offrent une solubilité dans l’eau et une non-toxicité, et son précurseur, l’acide fumarique, est un polymère d’origine biologique.
Les liants à base d'acide polyfumarique améliorent la vitesse de diffusion des ions et l'adhésion au collecteur de courant des anodes à carbone dur dans les batteries sodium-ion, ce qui se traduit par une excellente stabilité de cyclage et une excellente capacité spécifique. Crédit : Noriyoshi Matsumi de JAIST
Les chercheurs ont synthétisé le PFA par hydrolyse de poly(fumarate ester). Ensuite, ils ont mélangé du HC, du carbone Super P et du PFA dans de l'eau pour former une suspension aqueuse, qui a été appliquée sur une feuille de cuivre et séchée pendant une nuit pour produire une anode HC. Cette anode, accompagnée d'un disque de sodium métallique comme contre-électrode et de NaClO 1,0 M4 comme électrolyte, a été utilisé pour construire une demi-pile de type anode.
Les chercheurs ont effectué un test de pelage pour tester l'effet liant sur l'adhésion entre les composants de l'électrode et le collecteur de courant en cuivre. Notamment, une forte adhérence est requise pour la longue durée de vie des SIB. La force de pelage de l’électrode HC contenant un liant PFA s’est avérée être de 12,5 N, ce qui était significativement plus élevée que celle des électrodes poly(acide acrylique)-HC avec 11,5 N et des électrodes PVDF-HC avec 9,8 N de force de pelage.
La demi-cellule anodique a été soumise à divers tests électrochimiques et de performances de batterie. Lors des tests de cycle de charge/décharge, la demi-cellule anodique a montré des capacités spécifiques de 288 mAhg.-1 et 254 mAhg-1 à des densités de courant de 30 mAg-1 et 60 mg-1, respectivement, nettement meilleurs que les électrodes de type PVDF et poly(acide acrylique). Il a également montré une excellente stabilité aux cycles longs, conservant 85,4 % de sa capacité après 250 cycles. L'anode formait un mince SEI et ne présentait pas de formation de fissures ni d'exfoliation, ce qui contribuait à améliorer la durabilité de la demi-cellule. De plus, le coefficient de diffusion des ions Na pour l'électrode PFA-HC était de 1,9 × 10-13 cm2/s, supérieur aux électrodes poly(acide acrylique)-HC et PVDF-HC.
Implications futures et conclusion
Ces résultats peuvent conduire au développement de SIB présentant des performances électrochimiques améliorées. En regardant vers l'avenir, le professeur Matsumi déclare : « Dans ce matériau polymère, diverses modifications structurelles sont possibles grâce à différentes réactions polymères, ce qui peut encore améliorer les performances. À l’avenir, nous envisageons de mener des recherches conjointes avec des entreprises pour sa mise en œuvre commerciale. De plus, en tant que liant soluble dans l’eau et non toxique qui améliore la durabilité, il peut être appliqué non seulement dans les SIB mais également dans une large gamme de dispositifs de stockage d’énergie.
Dans l’ensemble, ce nouveau matériau peut conduire à une utilisation plus répandue de dispositifs énergétiques à faible coût basés sur les SIB, conduisant ainsi à une société plus économe en énergie et neutre en carbone.
L'étude a été financée par le ministère japonais de l'Éducation, de la Culture, des Sports et de la Technologie (MEXT).
