Cette technologie de batterie se passe du lithium et vise une recharge quasi instantanée

Les batteries au sodium métallique font l'objet de recherches intenses parce qu'elles combineraient en théorie les avantages de deux technologies. Elles se heurtaient jusqu'ici à un problème de dégradation qui les maintenait à l'état de projet. Des travaux publiés le 21 mai dans la revue Nano-Micro Letters proposent une réponse.

Le problème des dendrites

Il faut d'abord comprendre ce qui bloque cette filière. Dans une batterie au sodium métallique, l'électrode négative est constituée de sodium pur, métal très réactif. Lors de la charge, les ions sodium se déposent à sa surface.

Ce dépôt ne se fait pas uniformément. Il forme des structures pointues, comparables à des stalagmites, appelées dendrites. En croissant, elles finissent par établir un pont entre les deux électrodes et court-circuitent la cellule.

Du sodium pour remplacer le lithium des batteries

Des chercheurs de l’université des sciences de Tokyo ont développé une batterie où le sodium, un métal disponible en grande quantité et peu coûteux, vient remplacer le lithium généralement utilisé. Avec une capacité équivalente à la batterie au lithium, le prototype au sodium présente encore quelques défauts.... Lire la suite

Le mécanisme précis passe par une couche particulière. Dans toute batterie de ce type, l'électrode négative réagit avec l'électrolyte pour former une pellicule d'oxydes, d'une épaisseur de 10 à 50 nanomètres, généralement sans conséquence.

Avec le sodium, cette pellicule se fissure fréquemment. Les aspérités qui en résultent attirent les ions, qui s'y accumulent et amorcent la croissance des dendrites.

La solution proposée

L'équipe a mis au point un électrolyte quasi solide, sous forme de gel résistant. Ce matériau remplit deux fonctions. Il renforce mécaniquement la cellule face aux perforations, et sa structure semi-solide empêche physiquement la formation des dendrites.

Les résultats annoncés

Les chercheurs ont soumis leur cellule à des cycles de charge et de décharge pendant plus de 6 000 heures, sans court-circuit lié aux dendrites.

• En charge très rapide, de zéro à 100 % en quatre minutes, la capacité spécifique mesurée s'établit à 80,1 milliampères-heures par gramme.
• En charge un peu plus lente, de zéro à 100 % en vingt minutes, la cellule conserve 90 % de sa capacité après 2 000 cycles. Ce rythme réduit également le coût et améliore la sécurité, selon les auteurs.

Ces valeurs restent inférieures à celles des batteries lithium-ion actuelles en capacité, mais l'argument avancé porte sur la vitesse de charge.

Testée pendant plus de 6 000 heures de charge/décharge sans court-circuit, cette cellule expérimentale au sodium métallique se recharge en 4 minutes ou en 20 minutes, en conservant 90 % de sa capacité après 2 000 cycles. © Pasha Pechenkin, iStock

Pourquoi la vitesse de charge compte

Ce point constitue l'un des freins au déploiement des véhicules électriques. Les modèles les plus performants annoncent aujourd'hui des recharges partielles en quelques minutes, mais au prix de bornes ultrapuissantes et propriétaires, dont le déploiement reste limité. Sur les infrastructures les plus répandues, les durées se comptent en dizaines de minutes, et peuvent dépasser une heure sur les bornes les moins puissantes.

Bientôt des batteries au sodium sans anode : une révolution ?

Des chercheurs aux États-Unis viennent de mettre au point un accumulateur d’un nouveau genre, au sodium et sans anode. La découverte pourrait permettre de créer des batteries plus petites, plus écologiques et moins chères.... Lire la suite

Ce que promettent ces batteries

Le paysage actuel se répartit entre trois technologies. Les batteries lithium-ion équipent l'essentiel des appareils et véhicules. Leur coût tient à des métaux difficiles à extraire et géographiquement concentrés, et certaines chimies présentent un risque d'emballement thermique.

Les batteries sodium-ion, qui utilisent une électrode négative en graphite ou en carbone dur, gagnent du terrain parce qu'elles sont moins coûteuses. Leur inconvénient tient à leur densité énergétique inférieure : à capacité égale, elles sont plus lourdes et plus volumineuses.

Les batteries au sodium métallique visent l'entre-deux. En remplaçant le graphite par du sodium métallique, elles seraient plus légères et moins onéreuses, donc plus comparables au lithium-ion en encombrement.

Les réserves à formuler

Plusieurs nuances méritent d'être apportées à ce tableau. L'argument de sécurité doit être manié avec précaution. Le sodium métallique est un matériau hautement réactif, et c'est précisément cette réactivité que l'électrolyte gélifié vise à contenir. Présenter cette architecture comme intrinsèquement plus sûre que le lithium-ion suppose que ce confinement fonctionne durablement, ce que seuls des essais prolongés pourront établir.

L'ère du sodium a commencé : une start-up française lance une batterie révolutionnaire !

La batterie lithium-ion pourrait bien avoir trouvé sa remplaçante... C'est en tout cas la promesse de l'entreprise Tiamat, qui a mis au point une batterie à base de sodium. Une alternative qui a tout bon, et dont l'industrialisation est prévue pour 2025.... Lire la suite

La comparaison de coût mérite également d'être relativisée. Toutes les chimies lithium-ion ne reposent pas sur le cobalt, plusieurs formulations répandues s'en passant totalement. Reste enfin l'écart entre laboratoire et production. Ces résultats portent sur des cellules expérimentales, et les auteurs eux-mêmes signalent deux obstacles non résolus : la stabilité à basse température, et la nécessité de reproduire ces performances à l'échelle industrielle.

Un horizon lointain

Les chercheurs estiment que cette filière pourrait modifier l'économie du stockage électrique au cours de la prochaine décennie, si ces conditions sont remplies. Ils envisagent des applications dans les transports en commun et les véhicules de trajet quotidien, où l'autonomie compte moins que la rapidité de recharge.

L'électronique portable paraît en revanche plus éloignée. Ces appareils subissent des variations de température importantes, qui affectent la chimie interne des batteries reposant sur des électrolytes gélifiés. Une étape préalable s'impose dans tous les cas. Ces travaux devront être reproduits par d'autres équipes avant que des industriels n'envisagent de substituer du sodium métallique pur à des configurations au graphite dont le comportement est parfaitement documenté.