Un modèle de réussite : façonner des électrodes en carbone dur pour les batteries de la prochaine génération
Des scientifiques utilisent des composés inorganiques à base de zinc pour améliorer considérablement la capacité des batteries ioniques au sodium et au potassium
Les batteries lithium-ion (LIB) sont, de loin, le type de batteries rechargeables le plus utilisé, couvrant de nombreuses applications. Celles-ci comprennent l'électronique grand public, les véhicules électriques (par exemple, les voitures Tesla), les systèmes d'énergie renouvelable et les engins spatiaux. Bien que les piles à lithium offrent les meilleures performances à bien des égards par rapport aux autres piles rechargeables, elles ont aussi leur part d'inconvénients. Le lithium est une ressource plutôt rare, et son prix augmentera rapidement alors que sa disponibilité diminuera à l'avenir. En outre, l'extraction du lithium et la mise au rebut incorrecte des piles à lithium pose d'énormes problèmes environnementaux, car les électrolytes liquides couramment utilisés sont toxiques et inflammables.
Il est possible d'incorporer des nanopores dans le carbone dur en utilisant de l'oxyde de zinc comme modèle lors de sa synthèse. Ces pores permettent au matériau de stocker beaucoup plus de porteurs de charge, ce qui en fait une électrode prometteuse pour les batteries sodium-ion qui peuvent atteindre une densité énergétique comparable à celle des batteries lithium-ion de type LiFePO4.
Shinichi Komaba from Tokyo University of Science (TUS), Japan
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Les lacunes des piles à lithium ont motivé les chercheurs du monde entier à rechercher d'autres technologies de stockage de l'énergie. Les batteries ioniques au sodium (Na) (NIB) et les batteries ioniques au potassium (KIB) sont deux options qui émergent rapidement et qui sont à la fois rentables et durables. Les NIB et les KIB devraient devenir des industries d'un milliard de dollars d'ici la fin de la décennie. Les gouvernements du monde entier, notamment ceux des États-Unis, de l'Autriche, de Hong Kong, de l'Allemagne et de l'Australie, encouragent la recherche et l'innovation dans ce domaine. En outre, des entreprises telles que Faradion Limited, TIAMAT SAS et HiNa Battery Technology Co. Ltd. investissent massivement dans cette technologie. Contemporary Amperex Technology Co. Limited et Build Your Dreams devraient bientôt commercialiser des batteries pour véhicules électriques dotées de NIB.
Malheureusement, la capacité des matériaux d'électrode utilisés dans les NIB et les KIB reste inférieure à celle des LIB. Dans ce contexte, une équipe de recherche dirigée par le professeur Shinichi Komaba de l'université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon, a travaillé à la mise au point de matériaux d'électrodes révolutionnaires à haute capacité pour les NIB et les KIB. Dans leur dernière étude, publiée dans Advanced Energy Materials le 9 novembre 2023, ils font état d'une nouvelle stratégie de synthèse pour les électrodes de "carbone dur" (HC) nanostructurées qui offrent des performances sans précédent. L'étude a été cosignée par M. Daisuke Igarashi, Mme Yoko Tanaka et le professeur associé junior Ryoichi Tatara de TUS, ainsi que par le Dr Kei Kubota de l'Institut national des sciences des matériaux (NIMS), au Japon.
Mais qu'est-ce que le HC et pourquoi est-il utile pour les NIB et les KIB ? Contrairement à d'autres formes de carbone, comme le graphène ou le diamant, le HC est amorphe ; il n'a pas de structure cristalline bien définie. En outre, il est solide et résistant. Dans une étude antérieure datant de 2021, le professeur Komaba et ses collègues avaient trouvé un moyen d'utiliser l'oxyde de magnésium (MgO) comme modèle lors de la synthèse d'électrodes HC pour les NIB, modifiant ainsi leur nanostructure finale. Ce processus a conduit à la formation de nanopores à l'intérieur des électrodes lors de l'élimination de l'oxyde de magnésium, ce qui a considérablement augmenté leur capacité à stocker les ions Na+.
Motivés par leurs résultats précédents, les chercheurs ont cherché à savoir si les composés à base de zinc (Zn) et de calcium (Ca) pouvaient également servir de nano-modèles pour les électrodes HC. À cette fin, ils ont étudié systématiquement différents échantillons d'électrodes HC fabriqués à partir d'oxyde de zinc (ZnO) et de carbonate de calcium (CaCO3) et ont comparé leurs performances à celles des électrodes synthétisées à partir d'oxyde de magnésium (MgO).
Les expériences préliminaires ont montré que le ZnO était particulièrement prometteur pour l'électrode négative des NIB. En conséquence, les chercheurs ont optimisé la concentration de ZnO incorporé dans la matrice HC pendant la synthèse, démontrant une capacité réversible de 464 mAh g-1 (correspondant à NaC4.8) avec une efficacité coulombienne initiale élevée de 91,7 % et un faible potentiel moyen de 0,18 V par rapport à Na+/Na.
L'équipe a obtenu des résultats remarquables en incorporant ce puissant matériau d'électrode dans une batterie réelle. "Le NIB fabriqué en utilisant le HC optimisé à base de ZnO comme électrode négative a présenté une densité énergétique de 312 Wh kg-1", souligne le professeur Komaba. "Cette valeur est équivalente à la densité énergétique de certains types de piles à lithium-ion actuellement commercialisées avec LiFePO4 et graphite, et est plus de 1,6 fois supérieure à la densité énergétique des premiers NIB (192 Wh kg-1), que notre laboratoire a rapportés en 2011." Notamment, le HC à tempérament de ZnO a également montré une capacité significative de 381 mAh g-1 lorsqu'il a été incorporé dans un KIB, ce qui démontre encore son potentiel.
Dans l'ensemble, les résultats de cette étude montrent que l'utilisation de nanoparticules inorganiques comme modèle pour contrôler la structure des pores peut constituer une ligne directrice efficace pour le développement d'électrodes HC. "Nos résultats prouvent que les HC sont des candidats prometteurs pour les électrodes négatives en tant qu'alternative au graphite", conclut le professeur Komaba.
Cela pourrait rendre les NIB viables pour des applications pratiques, telles que le développement de produits électroniques grand public et de véhicules électriques durables, ainsi que de systèmes de stockage d'énergie à faible empreinte carbone pour stocker l'énergie provenant de parcs solaires et éoliens.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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