La recherche sur les batteries sodium-ion vise à réduire la dépendance à l’égard d’éléments rares et à réduire les coûts, améliorant ainsi les performances des batteries pour des applications plus larges. Cependant, une charge rapide introduit des contraintes mécaniques qui compromettent l’intégrité structurelle et la longévité de la batterie.
Les simulations de microstructures démontrent un impact significatif de la déformation élastique sur les caractéristiques de charge des oxydes en couches utilisés comme cathodes dans les batteries sodium-ion.
La recherche se concentre sur l’amélioration des performances, de la longévité et du prix abordable des nouveaux matériaux de batterie. Des efforts sont également déployés pour réduire l’utilisation d’éléments rares et toxiques comme le lithium et le cobalt. Dans ce contexte, les batteries sodium-ion apparaissent comme une alternative prometteuse. Elles fonctionnent selon des principes proches des batteries lithium-ion, mais sont fabriquées à partir de matières premières facilement disponibles en Europe.
Et ils conviennent aussi bien aux applications fixes que mobiles. « Les oxydes en couches, tels que les oxydes de sodium-nickel-manganèse, sont des matériaux cathodiques très prometteurs », déclare le Dr Simon Daubner, chef de groupe à l'Institut des matériaux appliqués – Modélisation et simulation de microstructures (IAM-MMS) du KIT et auteur correspondant de l'étude. Au sein du pôle d'excellence POLiS (pour Post Lithium Storage), il étudie la technologie sodium-ion.
Une charge rapide crée un stress mécanique
Cependant, les matériaux cathodiques de ce type posent un problème. Les oxydes de sodium-nickel-manganèse modifient leur structure cristalline en fonction de la quantité de sodium stockée. Si le matériel est chargé lentement, tout se déroule de manière bien ordonnée. « Le sodium quitte le matériau couche après couche, tout comme les voitures quittent un parking étage après étage », explique Daubner. « Mais lorsque la charge est rapide, le sodium est extrait de toutes parts. » Il en résulte des contraintes mécaniques pouvant endommager le matériau de manière permanente.
Coupe d'une couche cathodique (environ 100 micromètres, à gauche) constituée de particules sphériques (d'une dizaine de micromètres de diamètre, au centre) et simulation (à droite) de la fraction sodium dans un cristal d'oxyde de sodium-nickel-manganèse. Crédit : Simon Daubner, KIT
Des chercheurs de l'Institut de nanotechnologie (INT) et de l'IAM-MMS du KIT, ainsi que des scientifiques de l'Université d'Ulm et du Centre de recherche sur l'énergie solaire et l'hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW), ont récemment effectué des simulations pour clarifier la situation. Ils rapportent dans Matériaux informatiques npjun journal du Nature portefeuille.
Les expériences confirment les résultats de la simulation
« Les modèles informatiques peuvent décrire différentes échelles de longueur, depuis la disposition des atomes dans les matériaux des électrodes jusqu'à leur microstructure, en passant par la cellule en tant qu'unité fonctionnelle de toute batterie », explique Daubner. Pour étudier l'oxyde en couches NaXNi1/3Mn2/3O2, des modèles microstructurés ont été combinés avec des expériences de charge et de décharge lentes. Le matériau présente plusieurs mécanismes de dégradation entraînant une perte de capacité. Pour cette raison, il n’est pas encore adapté aux applications commerciales. Une modification de la structure cristalline entraîne une déformation élastique. Le cristal rétrécit, ce qui peut provoquer des fissures et une réduction de capacité. Les simulations INT et IAM-MMS montrent que cette influence mécanique détermine de manière décisive le temps nécessaire au chargement du matériau. Des études expérimentales au ZSW confirment ces résultats.
Les résultats de l’étude peuvent être en partie transférés à d’autres oxydes en couches. « Maintenant, nous comprenons les processus de base et pouvons travailler au développement de matériaux de batterie qui durent longtemps et peuvent être chargés le plus rapidement possible », résume Daubner. Cela pourrait conduire à une utilisation généralisée des batteries sodium-ion d’ici cinq à dix ans.
