Batteries sodium-ion : comment fonctionne le dopage

Trois années d'expériences à BESSY II, PETRA III et SOLARIS

23.02.2024

L'illustration schématique montre une batterie à ions sodium : L'électrode positive ou cathode (à gauche) est constituée d'oxydes de métaux de transition en couches qui forment une structure hôte pour les ions sodium. Le métal de transition nickel peut être remplacé par des ions magnésium ou scandium.

Les batteries sodium-ion présentent encore un certain nombre de faiblesses auxquelles il est possible de remédier en optimisant les matériaux de la batterie. L'une des possibilités consiste à enrichir le matériau de la cathode avec des éléments étrangers. Une équipe du HZB et de la Humboldt-Universität zu Berlin a étudié les effets du dopage au scandium et au magnésium. Les scientifiques ont recueilli des données aux sources de rayons X BESSY II, PETRA III et SOLARIS pour obtenir une image complète et ont découvert deux mécanismes concurrents qui déterminent la stabilité des cathodes.

Les batteries lithium-ion (LIB) ont la plus grande densité énergétique possible par kilogramme, mais les ressources en lithium sont limitées. Le sodium, quant à lui, est disponible en quantité pratiquement illimitée et constitue la deuxième meilleure option en termes de densité énergétique. Les batteries sodium-ion (SIB) seraient donc une bonne alternative, surtout si le poids des batteries n'est pas une préoccupation majeure, par exemple dans les systèmes de stockage d'énergie stationnaires.

Toutefois, les experts sont convaincus que la capacité de ces batteries pourrait être considérablement augmentée par une conception ciblée des matériaux des cathodes. Les matériaux cathodiques composés d'oxydes de métaux de transition en couches avec les éléments nickel et manganèse (cathodes NMO) sont particulièrement prometteurs. Ils forment des structures hôtes dans lesquelles les ions sodium sont stockés pendant la décharge et libérés pendant la charge. Cependant, il existe un risque de réactions chimiques qui peuvent initialement améliorer la capacité, mais qui finissent par dégrader le matériau de la cathode en raison de changements structurels locaux. Cela a pour conséquence de réduire la durée de vie des batteries sodium-ion.

"Mais nous avons besoin d'une capacité élevée avec une grande stabilité", explique le Dr Katherine Mazzio, qui est membre du groupe de recherche commun Operando Battery Analysis au HZB et à la Humboldt-Universität zu Berlin, dirigé par le professeur Philipp Adelhelm. Sous la direction de l'étudiant en doctorat Yongchun Li, ils ont maintenant étudié comment le dopage avec des éléments étrangers affecte les cathodes de NMO. Différents éléments ont été sélectionnés comme dopants ayant des rayons ioniques similaires à ceux du nickel (Ni ²⁺), mais des états de valence différents : les ions magnésium (Mg ²⁺) ou les ions scandium (Sc ³⁺).

Trois années d'expériences à BESSY II, PETRA III et SOLARIS

Pour décrypter l'influence des deux éléments, ils ont dû réaliser des expériences à trois sources de rayons X différentes. À BESSY II, ils ont analysé les échantillons en utilisant la diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS) et la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) dans les gammes de rayons X mous et durs ; à PETRA III, ils ont évalué les changements structurels par diffraction des rayons X (XRD) et l'analyse de la fonction de distribution des paires (PDF) avec des rayons X durs ; et pour obtenir des informations plus détaillées sur l'élément magnésium, ils ont effectué des recherches XAS douces supplémentaires à la ligne de faisceau PIRX de SOLARIS.

Le scandium n'améliore pas la stabilité

"Les résultats nous ont surpris", explique Mazzio. Bien que le dopage au scandium entraîne moins de changements structurels au cours du cycle électrochimique que le dopage au magnésium, il n'améliore pas la stabilité. "Jusqu'à présent, on pensait que la suppression des transitions de phase (et donc des changements de volume) améliorerait également les performances du matériau de la cathode sur de nombreux cycles. Mais cela ne suffit pas."

Tout dépend du rapport

Le dopage au magnésium supprime encore davantage la réaction d'oxydoréduction de l'oxygène dans le NMO. Ce résultat était également inattendu, car le magnésium est connu pour déclencher une réaction d'oxydoréduction de l'oxygène dans les oxydes de manganèse stratifiés. "Nous avons analysé différents rapports Mg/Ni dans le NMO et nous avons constaté que la réaction d'oxydoréduction de l'oxygène atteint un minimum à un rapport proche de 1", explique Mazzio. "Ce n'est qu'en combinant des techniques avancées de rayons X que nous avons pu montrer que ce n'est pas seulement la suppression des transitions de phase qui est importante pour améliorer le comportement cyclique à long terme, mais aussi l'interaction entre l'activité redox du Ni et de l'O qui dicte les performances", ajoute Mazzio.

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.

Publication originale

Yongchun Li, Katherine A. Mazzio, Najma Yaqoob, Yanan Sun, Annica I. Freytag, Deniz Wong, Christian Schulz, Volodymyr Baran, Alba San Jose Mendez, Götz Schuck, Marcin Zając, Payam Kaghazchi, Philipp Adelhelm; "Competing Mechanisms Determine Oxygen Redox in Doped Ni–Mn Based Layered Oxides for Na‐Ion Batteries"; Advanced Materials, 2024-1-25

https://www.chemeurope.com/fr/news/1182799/batteries-sodium-ion-comment-fonctionne-le-dopage.html