Des chercheurs brésiliens, et plus précisément le Groupe de chimie des matériaux de l’Université fédérale du Paraná (GQM-UFPR), ont mis au point la première batterie sodium-ion aqueuse, durable et rechargeable, dotée de caractéristiques uniques telles que la transparence, la flexibilité et la stabilité.
L’article décrivant la préparation et le fonctionnement de cette batterie a fait la une de la revue internationale de référence Sustainable Energy and Fuels , éditée par la Royal Society of Chemistry (Royaume-Uni) .
Et pourquoi est-ce important ?
En 2019, le prix Nobel de chimie a été décerné à trois chercheurs qui ont rendu possible l’existence des batteries lithium-ion . Vous ne les connaissez peut-être pas sous ce nom, mais sachez que vous êtes absolument dépendants de cette technologie : ce sont les batteries présentes dans tous les téléphones portables, ordinateurs portables, tablettes , voitures électriques et de nombreux autres appareils modernes.
Le principe de fonctionnement de ces batteries repose sur le mouvement des cations lithium. Un cation est un atome chargé positivement. Le lithium est le troisième élément chimique du tableau périodique. Ces éléments sont situés entre deux zones de la batterie, appelées électrodes, séparées par une autre zone, appelée électrolyte.
Lors de l’utilisation d’une batterie, les ions lithium quittent une électrode, traversent l’électrolyte et atteignent spontanément l’autre électrode, générant un courant électrique externe qui permet de produire un travail. Autrement dit, sa fonction est de faire fonctionner nos appareils.
Lorsque ce mouvement cesse, la batterie se décharge. Pour la recharger, une opération externe est nécessaire, via une prise murale, avec nos chargeurs. Ceci provoque le mouvement inverse, c’est-à-dire le retour des ions lithium vers l’électrode opposée.
L’ensemble du processus dépend fortement des matériaux qui composent les électrodes . Leur principale caractéristique est leur capacité à accueillir les ions lithium lors des cycles de charge et de décharge de la batterie. Autrement dit, ils peuvent intercaler le lithium dans leur structure. L’ électrolyte est également fondamental : il permet aux ions lithium de se déplacer d’une électrode à l’autre.
Problèmes géopolitiques et environnementaux
Malgré leur extrême efficacité, les batteries lithium-ion présentent plusieurs problèmes. Le principal étant précisément le lithium.
Cet élément présente de sérieux inconvénients géopolitiques. Il est concentré en quelques endroits seulement sur la planète. De plus, l’ extraction du lithium est extrêmement néfaste pour l’environnement , car elle consomme de grandes quantités d’eau, entraînant la pollution des réservoirs et des zones environnantes, et perturbant le cycle hydrologique.
De plus, elle émet une grande quantité de dioxyde de carbone. Autre problème : elle génère une quantité importante de déchets minéraux. Enfin, elle provoque des problèmes respiratoires chez les travailleurs et la population environnante.
Existe-t-il des solutions ?
Remplacer le lithium par un élément qui minimise ou élimine ces problèmes pourrait être une solution. Le sodium et le potassium sont des candidats potentiels. Le sodium est présent dans le sel de table. Une batterie sodium-ion est bien plus écologique et durable qu’une batterie lithium-ion , et son fonctionnement est identique. À la différence près que, dans ce cas, ce sont les ions sodium qui se déplacent d’une électrode à l’autre, et non les ions lithium. Il est toutefois important de préciser que les matériaux d’électrode performants pour les ions lithium ne le sont pas pour les ions sodium.
Concernant l’électrolyte : ceux actuellement utilisés dans les batteries lithium-ion sont à base de composés organiques, toxiques, inflammables, explosifs et dérivés, directement ou indirectement, du pétrole. Autrement dit, ils ne sont absolument pas durables.
La solution idéale pour améliorer la sécurité, réduire les coûts et garantir la durabilité serait de les remplacer par de l’eau ! On obtiendrait alors des batteries aqueuses . Le problème est que le fonctionnement des électrodes diffère, là encore, selon que les ions se trouvent dans des solvants organiques (technologie actuelle) ou dans l’eau.
Chemins parcourus
Dans ce contexte, la mise au point de batteries aqueuses et sodium-ion durables soulève d’importants défis scientifiques et technologiques. Il nous fallait trouver de nouveaux matériaux pour les électrodes et les électrolytes, adaptés à cette nouvelle configuration.
Il est important de souligner que nous travaillons sur ce sujet depuis plusieurs années et que notre article de couverture dans le journal de la Royal Society of Chemistry reflète fidèlement nos recherches. Forts de notre expérience, nous avons trouvé des solutions, fondées sur certains principes.
Les matériaux d’électrode performants pour les batteries sodium-ion aqueuses sont obtenus par l’association de plusieurs matériaux, formant ainsi des nanocomposites . Dans ces derniers, la présence de différentes structures en contact étroit confère de nouvelles propriétés. Ces propriétés améliorent significativement les performances des matériaux et leur capacité d’intercalation des ions sodium dissous dans l’eau.
Par ailleurs, le traitement des matériaux d’électrode en couches minces, c’est-à-dire un film extrêmement fin recouvrant une surface solide, est une autre option. Aucune de ces tâches n’est facile.
Projection internationale
Dans le cas des films minces, ils ont été préparés en utilisant une nouvelle voie entièrement développée par notre groupe à l’UFPR, dans le Paraná, qui a acquis une reconnaissance internationale significative et a été nommée la « voie interfaciale liquide/liquide ».
En résumé, cette technique repose sur l’utilisation de l’interface entre deux liquides non miscibles (l’eau et l’huile, par exemple) pour confiner le matériau sous forme de film. Grâce à cette technique, nous avons développé le matériau d’une des électrodes, composé de trois éléments : du disulfure de molybdène ; du graphène, un matériau constitué uniquement d’atomes de carbone, d’une épaisseur d’un seul atome, considéré comme le matériau le plus fin au monde ; et des nanoparticules d’oxyde de cuivre .
Ce matériau, en plus d’être durable, est composé de composants peu coûteux et non toxiques, et présente la capacité la plus élevée décrite à ce jour dans la littérature pour l’une des électrodes des batteries sodium-ion aqueuses.
Pour l’autre électrode, nous avons également développé plusieurs matériaux, notamment un composé de nanotubes de carbone et d’un analogue du bleu de Prusse . Quant à l’électrolyte aqueux, nous avons préparé un hydrogel , sous forme de solide transparent, qui assure une conductivité ionique sodium élevée dans l’eau.
Et maintenant, pourquoi ne pas réfléchir aux batteries durables pour les technologies de pointe, dont certaines n’existent même pas encore ? Par exemple, les batteries transparentes, qui permettraient leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques, des fenêtres, du verre, des écrans, etc.
Pour cela, les composants (électrodes et électrolyte) doivent être transparents, et cette transparence doit être conservée une fois assemblés. Les batteries flexibles en sont un autre exemple, permettant leur intégration dans des dispositifs pliables et malléables, des dispositifs portables, des biocapteurs, etc.
Aldo JG Zarbin
Professeur ordinaire, Département de chimie, Université fédérale du Paraná (UFPR)
