Des chercheurs de l’Université du Sud-Est et de HiNa Battery Technology en Chine ont développé une batterie au sodium métal capable de se recharger complètement en quatre minutes et de conserver 90 % de sa capacité sur 2 000 cycles, une performance qui, si elle est mise à l’échelle, pourrait remodeler l’économie des batteries pour véhicules électriques.
L’innovation clé, publiée dans Nano-Micro Letters, est un électrolyte gélifié quasi-solide à base d’étain (Sn-FB QSE) fabriqué par une stratégie de polymérisation in situ. Cet électrolyte résout les deux défis fondamentaux qui ont empêché les batteries au sodium métal de concurrencer le lithium-ion : la croissance des dendrites et la durée de vie limitée.
Comment ça fonctionne
L’électrolyte utilise une conception à « médiateur à double verrouillage ». Les ions étain(II) (Sn²⁺) initient la polymérisation du 1,3-dioxolane en un réseau polymère uniforme, tandis que les anions difluoro(oxalato)borate (DFOB⁻) agissent comme agent retardateur empêchant une polymérisation incontrôlée, produisant un gel à haute résistance à la perforation (8,5 kPa) et à faible polydispersité.
La conception atteint un nombre de transport d’ions sodium de 0,94, ce qui signifie que les ions sodium transportent la quasi-totalité du courant ionique, éliminant les gradients de concentration qui favorisent la nucléation des dendrites. À titre de comparaison, les électrolytes quasi-solides conventionnels atteignent des nombres de transport de 0,4 à 0,7.
Pendant le fonctionnement de la batterie, le système construit simultanément des couches protectrices sur les deux électrodes : Sn²⁺ est réduit à l’anode pour former un alliage hybride NaSn et une interphase électrolyte-solide (SEI) riche en composants inorganiques qui homogénéise le champ électrique, tandis que DFOB⁻ s’oxyde à la cathode pour construire une interphase cathode-électrolyte (CEI) mince et robuste. Cette ingénierie bilatérale confère à la batterie sa stabilité sur des milliers de cycles.
Performances
À un taux de charge de 15C, la batterie atteint la charge complète en environ quatre minutes, délivrant une capacité spécifique de 80,1 mAh g⁻¹. À un taux plus modéré de 3C (charge de 20 minutes), elle conserve 90 % de sa capacité sur 2 000 cycles, égalant les limites théoriques de durée de vie des batteries lithium-ion commerciales.
Des cellules symétriques au sodium ont fonctionné pendant 6 000 heures à 0,1 mA cm⁻² sans aucune défaillance liée aux dendrites.
L’aspect économique
Le sodium est environ 30 à 50 fois moins cher que le lithium et environ 100 fois plus abondant dans la croûte terrestre. Les batteries au sodium devraient coûter entre 40 et 60 dollars par kilowattheure, contre environ 100 à 120 dollars/kWh pour les packs lithium-ion actuels. Combinée aux avantages en matière de sécurité, les ions sodium ne peuvent pas provoquer d’emballement thermique et le gel quasi-solide élimine les fuites d’électrolyte liquide,, la technologie offre un ensemble convaincant pour les applications où l’autonomie par charge est moins critique que le coût, la sécurité et la recharge rapide.
Les véhicules électriques de banlieue, les véhicules de flotte et les transports publics sont les applications précoces les plus naturelles. Pour les véhicules à plus longue autonomie, la densité énergétique plus faible de la chimie du sodium (environ 80 mAh g⁻¹ contre 150–200 mAh g⁻¹ pour le lithium-ion) reste une limitation.
Ces travaux ont été soutenus par HiNa Battery Technology, l’une des principales entreprises commercialisant les batteries sodium-ion, ce qui suggère une voie claire de la démonstration en laboratoire à l’échelle industrielle.
Traduit par Lydie