Des chercheurs résolvent un problème majeur concernant les batteries sodium-ion pour les véhicules électriques et le stockage de l'énergie en réseau
Les batteries sodium-ion pourraient atténuer les problèmes liés à la chaîne d'approvisionnement des batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion dominent depuis longtemps le marché en tant que source d'énergie pour les véhicules électriques. Elles sont également de plus en plus envisagées pour le stockage de l'énergie renouvelable à utiliser sur le réseau électrique. Toutefois, compte tenu de l'expansion rapide de ce marché, des pénuries de lithium sont prévues dans les cinq à dix prochaines années.
Représentation artistique illustrant la découverte clé selon laquelle l'abaissement de la vitesse d'échauffement pendant la préparation de la cathode pour les batteries sodium-ion a éliminé le problème de déformation et de fissuration dans les particules noyau-coquille avec un gradient de concentration.
Images by Argonne National Laboratory
"Les batteries sodium-ion apparaissent comme une alternative convaincante aux batteries lithium-ion en raison de la plus grande abondance et du coût inférieur du sodium", a déclaré Gui-Liang Xu, chimiste au laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'énergie (DOE).
Jusqu'à présent, la commercialisation de ces batteries s'est heurtée à de sérieux obstacles. En particulier, les performances de la cathode contenant du sodium diminuent rapidement avec les décharges et les charges répétées.
Une équipe d'Argonne a réalisé d'importantes avancées dans la résolution de ce problème grâce à une nouvelle conception de cathode à oxyde ionique de sodium. Elle s'inspire étroitement d'une conception antérieure d'Argonne pour une cathode d'oxyde de lithium-ion dont la capacité de stockage d'énergie élevée et la longue durée de vie ont été démontrées.
L'une des principales caractéristiques des deux modèles est que les particules microscopiques de la cathode contiennent un mélange de métaux de transition, notamment du nickel, du cobalt, du fer ou du manganèse. Il est important de noter que ces métaux ne sont pas uniformément répartis dans les particules de cathode individuelles. Par exemple, le nickel apparaît au cœur, entouré de cobalt et de manganèse, qui forment une coquille. Ces éléments ont des fonctions différentes. La surface riche en manganèse confère à la particule sa stabilité structurelle pendant les cycles de charge-décharge. Le noyau riche en nickel offre une grande capacité de stockage de l'énergie.
Lors des essais de cette conception, la capacité de stockage d'énergie de la cathode a toutefois diminué régulièrement au cours des cycles. Le problème a été attribué à la formation de fissures dans les particules pendant le cycle. Ces fissures se sont formées en raison de la déformation entre l'enveloppe et le noyau des particules. L'équipe a cherché à éliminer cette contrainte avant le cyclage en affinant sa méthode de préparation de la cathode.
Le matériau précurseur utilisé pour lancer le processus de synthèse est un hydroxyde. Outre l'oxygène et l'hydrogène, il contient trois métaux : le nickel, le cobalt et le manganèse. L'équipe a fabriqué deux versions de cet hydroxyde : L'une avec les métaux répartis selon un gradient allant du noyau à la coquille et, à titre de comparaison, l'autre avec les trois métaux répartis uniformément dans chaque particule.
Pour former le produit final, l'équipe a chauffé un mélange de matériau précurseur et d'hydroxyde de sodium jusqu'à 600 degrés Celsius, l'a maintenu à cette température pendant une période donnée, puis l'a refroidi à température ambiante. Ils ont également essayé différentes vitesses de chauffage.
Pendant toute la durée du traitement, l'équipe a surveillé les changements structurels dans les propriétés des particules. Cette analyse a nécessité l'utilisation de deux installations du DOE Office of Science : l'Advanced Photon Source (lignes de faisceau 17-BM et 11-ID) à Argonne et la National Synchrotron Light Source II (ligne de faisceau 18-ID) au Brookhaven National Laboratory du DOE.
"Grâce aux faisceaux de rayons X de ces installations, nous avons pu déterminer en temps réel les changements dans la composition et la structure des particules dans des conditions de synthèse réalistes", a déclaré Wenqian Xu, scientifique de la ligne de faisceau d'Argonne.
L'équipe a également fait appel au Center for Nanoscale Materials (CNM) d'Argonne pour des analyses supplémentaires afin de caractériser les particules et au superordinateur Polaris de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) pour reconstruire les données radiographiques en images 3D détaillées. Le CNM et l'ALCF sont également des installations d'utilisateurs du DOE Office of Science.
Les premiers résultats ont révélé l'absence de fissures dans les particules uniformes, mais la formation de fissures dans les particules à gradient à des températures aussi basses que 250 degrés C. Ces fissures sont apparues au cœur et à la limite cœur-coquille, puis se sont déplacées vers la surface. Il est clair que le gradient de métal a provoqué une déformation importante qui a conduit à l'apparition de ces fissures.
"Comme nous savons que les particules à gradient peuvent produire des cathodes à haute capacité de stockage d'énergie, nous voulions trouver des conditions de traitement thermique qui élimineraient les fissures dans les particules à gradient", a déclaré Wenhua Zuo, un stagiaire postdoctoral d'Argonne.
La vitesse d'échauffement s'est avérée être un facteur critique. Des fissures se sont formées à une vitesse de chauffage de cinq degrés par minute, mais pas à une vitesse plus lente d'un degré par minute. Les tests effectués dans de petites cellules avec des particules de cathode préparées à la vitesse la plus lente ont maintenu leurs performances élevées pendant plus de 400 cycles.
"La prévention des fissures lors de la synthèse de la cathode est très utile lorsque la cathode est chargée et déchargée par la suite", a déclaré Gui-Liang Xu. Bien que les batteries sodium-ion n'aient pas encore une densité énergétique suffisante pour alimenter des véhicules sur de longues distances, elles sont idéales pour la conduite urbaine.
L'équipe travaille actuellement à l'élimination du nickel de la cathode, ce qui réduirait encore le coût et serait plus durable.
"Les perspectives semblent très bonnes pour les futures batteries sodium-ion, non seulement à faible coût et à longue durée de vie, mais aussi d'une densité énergétique comparable à celle de la cathode de phosphate de fer-lithium qui équipe aujourd'hui de nombreuses batteries lithium-ion", a déclaré Khalil Amine, chercheur émérite à l'Argonne. Il en résulterait des véhicules électriques plus durables avec une bonne autonomie de conduite.
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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