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Moins cher, plus rapide, plus propre : les scientifiques ont développé la première batterie au sodium sans anode au monde

Moins cher, plus rapide, plus propre : les scientifiques ont développé la première batterie au sodium sans anode au monde

Une nouvelle forme de batterie issue du laboratoire de stockage et de conversion d'énergie du professeur Y. Shirley Meng, fruit d'une collaboration entre l'école d'ingénierie moléculaire Pritzker de l'UChicago et le département d'ingénierie chimique et nanométrique Aiiso Yufeng Li Family de l'université de Californie à San Diego, rapproche plus que jamais les batteries peu coûteuses, à charge rapide et à grande capacité pour les véhicules électriques et le stockage sur réseau. Crédit : UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich

Des chercheurs du laboratoire de stockage et de conversion d'énergie du professeur Y. Shirley Meng de l'UChicago ont créé la première batterie à l'état solide au sodium sans anode.

En développant cette batterie, le LESC – une initiative collaborative entre l'École d'ingénierie moléculaire Pritzker de l'UChicago et le Département d'ingénierie chimique et nanométrique Aiiso Yufeng Li Family de l'Université de Californie à San Diego – a rapproché plus que jamais la réalité des batteries peu coûteuses, à charge rapide et à grande capacité pour les véhicules électriques et le stockage sur réseau.

« Bien qu'il existe déjà des batteries au sodium, à l'état solide et sans anode, personne n'a réussi à combiner ces trois idées jusqu'à présent », a déclaré Grayson Deysher, candidat au doctorat à l'UC San Diego, premier auteur d'un nouvel article décrivant la recherche.

Progrès dans le domaine de l'énergie durable

Récemment publié dans Énergie naturellel'article révèle une nouvelle architecture de batterie au sodium avec un cyclage stable sur plusieurs centaines de cycles. En supprimant l'anode et en utilisant du sodium abondant et peu coûteux au lieu du lithium, cette nouvelle forme de batterie sera plus abordable et plus respectueuse de l'environnement à produire. Grâce à sa conception innovante à semi-conducteurs, la batterie sera également sûre et puissante.

Ces travaux constituent à la fois une avancée scientifique et une étape nécessaire pour combler le déficit de capacité des batteries nécessaire à la transition de l’économie mondiale vers l’abandon des combustibles fossiles. « Pour faire fonctionner les États-Unis pendant une heure, nous devons produire un térawattheure d’énergie », a déclaré Meng. « Pour accomplir notre mission de décarbonisation de notre économie, nous avons besoin de plusieurs centaines de térawattheures de batteries. Nous avons besoin de plus de batteries, et nous en avons besoin rapidement. »

Grayson Deysher

Grayson Deysher, doctorant à l'Université de Californie à San Diego, est le premier auteur de l'article décrivant les travaux de l'équipe. Grayson Deysher, doctorant à l'Université de Californie à San Diego, est le premier auteur de l'article décrivant les travaux de l'équipe. Crédit : David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering

La promesse du sodium par rapport au lithium

Le lithium, couramment utilisé pour les batteries, est rare. Il représente environ 20 parties par million de la croûte terrestre, contre 20 000 parties par million pour le sodium. Cette pénurie, combinée à la forte demande de batteries lithium-ion pour les ordinateurs portables, les téléphones et les véhicules électriques, a entraîné une flambée des prix, rendant les batteries nécessaires encore plus inaccessibles.

Les gisements de lithium sont également concentrés. Le « triangle du lithium » formé par le Chili, l’Argentine et la Bolivie détient plus de 75 % de l’approvisionnement mondial en lithium, avec d’autres gisements en Australie, en Caroline du Nord et au Nevada. Cela profite à certains pays plus qu’à d’autres dans la décarbonisation nécessaire pour lutter contre le changement climatique.

« Une action mondiale nécessite de travailler ensemble pour accéder à des matériaux d’une importance cruciale », a déclaré Meng.

L’extraction du lithium est également néfaste pour l’environnement, qu’il s’agisse des acides industriels utilisés pour décomposer le minerai minier ou de l’extraction de saumure plus courante qui pompe d’énormes quantités d’eau à la surface pour sécher. Le sodium, commun dans l’eau de mer et l’extraction de carbonate de sodium, est un matériau de batterie intrinsèquement plus respectueux de l’environnement. Les recherches du LESC en ont fait un matériau puissant également.

Schémas sans anode et calculs de densité énergétique

a) Schéma de cellule pour anodes en carbone, anodes en alliage et configuration sans anode. b) Comparaison de la densité énergétique théorique pour divers matériaux d'anode en sodium. c) Schéma illustrant les exigences pour permettre une batterie entièrement solide sans anode. Crédit : Laboratoire de stockage et de conversion de l'énergie

Nouvelles innovations architecturales

Pour créer une batterie au sodium avec la densité énergétique d'une batterie au lithium, l'équipe a dû inventer une nouvelle architecture de batterie au sodium. Les batteries traditionnelles sont dotées d'une anode pour stocker les ions pendant la charge de la batterie. Pendant que la batterie est en cours d'utilisation, les ions circulent de l'anode à travers un électrolyte jusqu'à un collecteur de courant (cathode), alimentant ainsi les appareils et les voitures.

Les batteries sans anode éliminent l'anode et stockent les ions sur un dépôt électrochimique de métal alcalin directement sur le collecteur de courant. Cette approche permet d'augmenter la tension des cellules, de réduire leur coût et d'augmenter la densité énergétique, mais elle présente également ses propres défis.

« Dans toute batterie sans anode, il faut un bon contact entre l’électrolyte et le collecteur de courant », explique Deysher. « C’est généralement très facile avec un électrolyte liquide, car le liquide peut s’écouler partout et mouiller toutes les surfaces. Un électrolyte solide ne peut pas faire cela. »

Cependant, ces électrolytes liquides créent une accumulation appelée interphase d'électrolyte solide tout en consommant régulièrement les matériaux actifs, réduisant ainsi l'utilité de la batterie au fil du temps.

Approches innovantes et perspectives d'avenir

L’équipe a adopté une approche innovante pour résoudre ce problème. Plutôt que d’utiliser un électrolyte qui entoure le collecteur de courant, ils ont créé un collecteur de courant qui entoure l’électrolyte. Ils ont créé leur collecteur de courant à partir de poudre d’aluminium, un solide qui peut s’écouler comme un liquide.

Lors de l'assemblage de la batterie, la poudre a été densifiée sous haute pression pour former un collecteur de courant solide tout en maintenant un contact de type liquide avec l'électrolyte, permettant le cyclage à faible coût et à haute efficacité qui peut faire avancer cette technologie révolutionnaire.

« Les batteries à l’état solide au sodium sont généralement considérées comme une technologie d’un avenir lointain, mais nous espérons que ce document pourra stimuler davantage de progrès dans le domaine du sodium en démontrant qu’elle peut effectivement bien fonctionner, voire mieux que la version au lithium dans certains cas », a déclaré Deysher.

L'objectif ultime ? Meng envisage un avenir énergétique avec une variété d'options de batteries propres et peu coûteuses qui stockent l'énergie renouvelable, adaptées aux besoins de la société.

Meng et Deysher ont déposé une demande de brevet pour leur travail auprès du Bureau de l'innovation et de la commercialisation de l'UC San Diego.

Financement : Le financement pour soutenir ce travail a été fourni par la National Science Foundation par le biais de la subvention Partnerships for Innovation (PFI) n° 2044465

SciTechDaily

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