Des chercheurs chinois ont annoncé une conception de batterie radicale au sodium métal (SMB) qui peut se charger complètement en seulement quatre minutes et conservera sa capacité pendant des années d’utilisation.
Les SMB sont une forme de batteries stables et à charge ultrarapide qui, selon les scientifiques, pourraient un jour constituer une alternative bon marché aux batteries lithium-ion (Li-ion) actuelles, qui reposent sur des métaux géographiquement concentrés et prennent facilement feu. Les PME diffèrent également des batteries sodium-ion (Na-ion) en ce sens qu’elles utilisent une anode de sodium métallique plutôt qu’une anode en graphite ou en carbone dur.
Cependant, les SMB restent largement théoriques car elles sont sujettes à un type de dégradation appelé formation de dendrites. C’est à ce moment-là que les ions sodium traversant l’électrode se déposent sur l’anode de sodium en métal pur hautement réactive dans des structures épineuses ressemblant à des stalagmites. Au fil du temps, cela forme un pont entre la cathode et l’anode, court-circuitant la batterie.
La formation de dendrites est particulièrement courante dans les batteries au sodium car le sodium est un métal hautement réactif. Lorsque la charge traverse une batterie Li-ion, Na-ion ou sodium métal, l’anode réagit toujours avec l’électrolyte pour former une couche d’oxyde connue sous le nom de SEI. Son épaisseur est généralement comprise entre 10 et 50 nanomètres, soit environ aussi large qu’un petit virus – mais généralement inoffensif. Mais avec le sodium, le SEI se fissure souvent, formant des bosses qui attirent les ions sodium, qui s’accumulent dans les dendrites.
Aujourd’hui, les chercheurs affirment avoir résolu ce problème en utilisant un électrolyte gel quasi-solide, baptisé Sn-FB QSE, qui renforce la batterie contre les perforations et fournit une structure interne semi-solide qui empêche la formation de dendrites. Ils ont présenté leurs conclusions dans une étude publiée le 21 mai dans la revue Lettres Nano-Micro.
Pour confirmer la longévité de cette approche, les scientifiques ont chargé et déchargé la batterie pendant plus de 6 000 heures sans que les dendrites ne court-circuitent la batterie. Ils ont également noté que lorsqu’ils chargeaient la batterie de zéro à 100 % de sa capacité en seulement quatre minutes, elle conservait la charge électrique, mesurée en milliampères-heures par gramme (mAh g–1), du 80.1. C’est l’équivalent d’environ la moitié de ce qui est retenu dans les batteries Li-ion.
Lorsqu’elle est chargée à un rythme légèrement plus lent, de zéro à 100 % en 20 minutes, la batterie a conservé 90 % de sa capacité de charge sur 2 000 cycles, ce qui correspond à la limites théoriques pour les batteries Li-ionont déclaré les scientifiques dans l’étude. Cette vitesse plus lente réduisait les coûts et améliorait la sécurité.
Ceci est remarquable car les scientifiques y sont parvenus avec la nouvelle batterie tout en la chargeant plus rapidement que les batteries Li-ion ne peuvent être chargées. Ceci est pertinent car la vitesse de recharge reste un point de friction pour le déploiement des batteries dans les véhicules électriques (VE). Le véhicule électrique à recharge la plus rapide aujourd’hui est le BYD Denza, que le Le constructeur automobile chinois dit peut passer de 10 à 70 % en seulement cinq minutes. Mais cela nécessite des chargeurs propriétaires hautement spécialisés de 1 MW.
La plupart des véhicules électriques se rechargent beaucoup plus lentement — Les représentants de Tesla disent son modèle 3 peut se recharger de 10 à 70 % en 15 minutes environ en utilisant les propres chargeurs flash de 250 kW de Tesla, mais les représentants de la plateforme de routage EV Zapmap dit le même véhicule mettra 90 minutes pour se recharger à 80 % sur des chargeurs de 50 kW.
En effet, la plupart des batteries utilisées pour les technologies modernes, comme les smartphones et les véhicules électriques, sont au Li-ion. Cependant, les batteries Li-ion sont coûteuses à produire car elles contiennent des métaux difficiles à obtenir, le lithium et le cobalt, et elles ont tendance à prendre feu.
De plus en plus, les fabricants de batteries cherchent à commercialiser les batteries Na-ion car elles sont moins chères et plus sûres. Cependant, elles sont plus lourdes et plus volumineuses que les batteries Li-on.
Les PME font l’objet d’intenses recherches car elles combinent théoriquement le meilleur des deux types de batteries. Étant donné que les PME utilisent une anode au sodium, plutôt que des batteries Na-ion qui utilisent du graphite ou une anode en carbone dur, elles sont plus légères et moins chères à produire et donc beaucoup plus comparables au Li-ion en termes de taille et de poids. Ils sont également plus sûrs car ils fonctionnent avec des ions sodium, qui sont volumineux et ne peuvent pas s’écouler suffisamment rapidement vers les brèches de la paroi de la batterie pour provoquer un emballement thermique. Il s’agit d’une réaction en chaîne auto-entretenue qui provoque l’inflammation des batteries lorsqu’elles sont endommagées.
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Si les problèmes de formation de dendrites et de stabilité à des températures plus basses peuvent être résolus, reproduits et étendus, les PME pourraient remodeler l’économie du déploiement des batteries au cours de la prochaine décennie, ont déclaré les scientifiques.
Les PME pourraient être d’excellents choix pour les véhicules électriques dans les transports publics ou dans les voitures de banlieue, estiment les scientifiques, car bien qu’elles aient une autonomie inférieure à celle des véhicules Na-ion et Li-ion, elles se rechargent plus rapidement. Cependant, ils ne seront pas disponibles avant un certain temps, que ce soit dans les véhicules ou dans les appareils plus petits comme l’électronique grand public.
En effet, les appareils tels que les smartphones sont soumis à des changements de température sévères qui affectent la chimie interne des batteries qui dépendent d’électrolytes en gel. La recherche doit d’abord être reproduite avant que les fabricants se sentent à l’aise d’utiliser du sodium métallique pur à la place de configurations de graphite bien comprises.
