Le monde actuel fonctionne grâce aux batteries. Cependant, les batteries lithium-ion, qui dominent le marché, sont coûteuses et leur extraction a un impact environnemental important. Les matières premières nécessaires à leur fabrication sont rares et concentrées dans quelques régions géographiques, ce qui exerce une pression constante sur les chaînes d’approvisionnement.
Les batteries sodium-ion constituent une alternative prometteuse car elles utilisent des matériaux abondants. Cependant, le sodium présente des inconvénients qui ont empêché son utilisation comme substitut au lithium.
Dans le cadre de travaux menés à l’ Institut Bernal de l’Université de Limerick , mon équipe a mis au point une batterie combinant les atouts du sodium et du lithium. Cette innovation pourrait permettre de développer des batteries plus durables et de réduire les tensions sur la chaîne d’approvisionnement liées au lithium. Les résultats ont été publiés dans la revue Nano Energy.
Les batteries sodium-ion ont une densité énergétique inférieure à celle des batteries lithium-ion . La densité énergétique correspond à la quantité d’énergie stockée dans une batterie par rapport à son poids ou à sa taille. Une faible densité énergétique a des répercussions sur les appareils et les machines qu’elles alimentent.
Si les véhicules électriques utilisaient des modules de batterie à plus faible densité énergétique, leur autonomie serait limitée. Diminuer la densité énergétique des batteries alourdirait également les tablettes et les ordinateurs portables.
En tant que chercheur spécialisé dans le stockage de l’énergie, ce paradoxe me taraudait. Comment exploiter la durabilité du sodium sans sacrifier les performances ? Cette tension me rappelle le concept philosophique antique du yin et du yang , qui décrit comment des forces apparemment opposées sont en réalité complémentaires et interdépendantes.
Dans ce cas précis, le sodium est abondant mais peu énergétique, tandis que le lithium est puissant mais rare. Inspiré par cette dichotomie, je me suis demandé si ces deux technologies pourraient fonctionner en harmonie plutôt qu’en concurrence.
Cela nous a permis de produire la première pile complète à deux électrodes – une positive et une négative – utilisant deux atomes ou molécules chargés (ions). Dans ce cas, il s’agit du sodium et du lithium. Les piles qui utilisent différents ions chargés positivement pour stocker et transférer l’énergie sont appelées piles à double cation.
Pourquoi les ions sodium sont insuffisants
Une pile standard est composée d’une ou plusieurs cellules. La cellule convertit l’énergie chimique en énergie électrique . Elle comporte deux électrodes, ou bornes : une borne positive appelée cathode et une borne négative appelée anode.
Lorsqu’une pile alimente un appareil électronique, des électrons chargés négativement circulent dans le circuit et atteignent la borne positive de la pile. Le milieu chimique situé entre l’anode et la cathode est appelé électrolyte.
J’ai décidé de combiner le lithium et le sodium dans une demi-pile, c’est-à-dire une pile dont une seule électrode est immergée dans l’électrolyte, au lieu de deux. L’ajout d’une petite quantité de sel de lithium à un électrolyte à dominante sodique a radicalement modifié le comportement de la pile.
Elle a quasiment doublé la capacité de stockage de notre demi-cellule par rapport à une batterie sodium de pointe équivalente. Elle a également démontré sa stabilité jusqu’à 1 000 cycles de charge-décharge à des courants de charge élevés. Les cycles de charge-décharge mesurent le nombre de fois où une batterie peut se décharger de 100 % à 0 % puis se recharger à 100 % avant que sa capacité ne se dégrade.
Pour quelqu’un qui avait déjà vu des batteries sodium-ion se dégrader après quelques dizaines de cycles, ces résultats étaient comparables à un miracle.
En coulisses, une fascinante chorégraphie chimique se déroulait entre le lithium et le sodium. Les ions lithium, plus petits que les ions sodium, peuvent se déplacer plus facilement à travers le matériau de l’anode. Ce mouvement facilite la circulation du sodium et abaisse la barrière de diffusion, cette résistance à l’anode qui ralentit habituellement le fonctionnement des batteries sodium. Grâce à cela, davantage d’ions ont pu pénétrer dans l’anode, lui permettant ainsi de stocker plus de charge.
Tout aussi important, le sodium a empêché le lithium de se retrouver piégé dans le matériau après la décharge. Cet échange continu a maintenu la réversibilité de la réaction, conférant à la batterie une capacité accrue et une meilleure stabilité cyclique. Dans cette interaction équilibrée, aucun ion ne dominait ; au contraire, ils agissaient en harmonie.
Énergie propre
Les tests sur demi-cellules constituent la première étape vers des applications concrètes. Dans un second temps, j’ai démontré le fonctionnement d’un mélange de lithium et de sodium dans une cellule de batterie complète.
La rétention de capacité d’une batterie mesure le pourcentage d’énergie initialement stockée qui reste disponible après une période d’utilisation donnée. La cellule complète a conservé 70 % de sa capacité après 200 cycles. Ce résultat est nettement supérieur à celui de l’électrolyte sodium seul, dont les performances ont commencé à se dégrader après environ 50 cycles.
Les performances de la cellule complète étaient particulièrement satisfaisantes, le sodium restant le porteur de charge dominant. Ceci garantit que la batterie est toujours fondamentalement un système sodium-ion.
Cette avancée majeure pourrait contribuer à la transition énergétique mondiale vers les énergies propres en réduisant la dépendance aux cathodes riches en cobalt et en nickel, courantes mais coûteuses, dont l’approvisionnement est limité et qui posent des problèmes environnementaux. Notre conception utilise le sodium comme ion principal et l’associe à une cathode en sulfure de fer plus durable. Le sodium et le fer étant plus abondants que de nombreux métaux conventionnels utilisés dans les batteries, la chimie pourrait être moins coûteuse et plus facile à industrialiser.
La faible quantité de lithium sert principalement à améliorer les performances plutôt qu’à constituer la ressource principale. De ce fait, la batterie est à la fois plus performante et potentiellement moins dépendante de matériaux critiques coûteux. De plus, elle représente une nouvelle voie pour le stockage des énergies renouvelables sur le réseau, ce qui peut faciliter la transition des collectivités et des industries vers un avenir plus écologique.
Malgré le succès de notre prototype, il reste encore beaucoup à faire. L’anode de notre cellule et de notre demi-cellule était en germanium, un matériau coûteux. Le prochain défi consiste à remplacer le germanium par des matériaux d’anode moins onéreux. Le silicium est une piste prometteuse : il peut accueillir de manière réversible les ions lithium et sodium lors des cycles de charge et de décharge, tout en offrant à la batterie une capacité de stockage supérieure.
Cette amélioration permettrait d’accroître la densité énergétique des batteries à sodium. Il est également nécessaire d’associer l’anode à une cathode capable de produire des tensions plus élevées que celles actuellement disponibles.
J’explore déjà des associations alternatives et durables de différents ions, comme le lithium-magnésium et le potassium-sodium. J’expérimente également de nouvelles formulations d’électrolytes.
Les recherches de mon équipe montrent qu’en exploitant la complémentarité du lithium et du sodium, nous pouvons concevoir des batteries à la fois performantes et durables. Ceci ouvre la voie à un monde où nos téléphones, nos voitures et même le réseau électrique puiseront leur énergie dans des ions sodium bon marché et abondants, avec un léger apport de lithium.
Syed Abdul Ahad
Chercheur postdoctoral en chimie, Université de Limerick (Research Ireland)
