De nouvelles batteries à l'état solide à base de sodium pourraient permettre une charge plus rapide et une capacité plus élevée

Des chercheurs de l'Institut fédéral allemand de recherche et d'essai des matériaux (BAM) sont en train de remodeler les batteries à l'état solide pour dépasser le plafond atteint par les cellules lithium-ion d'aujourd'hui les plafonds atteints par les cellules lithium-ion d'aujourd'hui. Leur projet est centré sur un nouvel électrolyte conducteur super-ionique à base de sodium (NASICON) qui pourrait permettre une charge plus rapide, une durée de vie plus longue et des coûts plus faibles sans compromettre la sécurité.

Les piles lithium-ion conventionnelles reposent sur des anodes en graphite qui stockent un nombre limité d'ions. Le passage au lithium métallique - ou au sodium, moins cher et plus abondant - permettrait d'augmenter la densité énergétique de 40 %. Le problème est que les anodes solides ont besoin d'un électrolyte solide, et que l'interface rigide entre les deux forme souvent des vides qui rendent la batterie inutilisable. Une anode partiellement liquide peut résoudre ce problème d'interface, mais seulement si l'ensemble du système reste stable.

L'équipe du BAM, dirigée par le chercheur invité Gustav Graeber, a déjà démontré qu'une anode liquide à base de métaux alcalins peut fournir une puissance 100 fois supérieure à celle du graphite. Pour l'instant, cependant, cette puissance record n'apparaît qu'à une température d'environ 250 °C (482 °F). Pour ramener la technologie à la température ambiante, les chercheurs ajoutent du potassium afin d'abaisser le point de fusion de l'anode. La plupart des électrolytes solides se dégradent au contact du potassium, de sorte que l'électrolyte devient le nouveau goulot d'étranglement.

Les matériaux NASICON permettent de sortir de cette impasse. Ils conduisent bien les ions dans les conditions ambiantes et tolèrent le potassium, en particulier lorsqu'ils sont dopés au hafnium. Cependant, le hafnium est rare et cher. C'est pourquoi le projet BAM passe au crible les dopants terrestres qui peuvent égaler l'effet stabilisateur de l'hafnium. Les compositions les plus prometteuses sont déjà intégrées et utilisées dans des prototypes de cellules à sodium.

Si les recherches aboutissent, les piles à l'état solide à base de sodium pourraient passer du laboratoire aux appareils de tous les jours et aux véhicules électriques. Une densité énergétique plus élevée prolongerait la durée de fonctionnement, tandis que les électrolytes solides amélioreraient la sécurité intrinsèque. Une charge plus rapide et une chaîne d'approvisionnement s'appuyant sur le sodium abondant plutôt que sur le lithium et le cobalt rares rendraient la technologie attrayante pour le stockage en réseau également - une étape progressive mais significative vers des systèmes énergétiques à faible teneur en carbone.