Les batteries au lithium-ion ont dominé le secteur du stockage d’énergie pendant des années, mais la demande croissante et la pénurie de lithium ont poussé à la recherche d’alternatives plus accessibles. C’est ici que les batteries au sodium-ion (BIS) émergent comme une solution prometteuse, grâce à l’abondance de sodium dans la nature. Des chercheurs de l’Institut Avancé des Sciences et Technologies du Japon (JAIST) ont développé un nouveau matériau de liaison pour électrodes qui pourrait mener ces batteries à la commercialisation, marquant une avancée significative.

Le défi des matériaux actuels

Les batteries nécessitent des matériaux qui non seulement stockent l’énergie de manière efficace, mais aussi maintiennent leur stabilité dans le temps. Un défi clé pour les BIS a été de trouver une anode adéquate. Le carbone dur (HC) s’est révélé prometteur, mais son utilisation a été limitée en raison de la formation d’une interface de type électrolyte solide (SEI) inégale et épaisse, ce qui réduit la stabilité pendant les cycles de charge et de décharge.

Problèmes avec les liants traditionnels

Pour améliorer la stabilité du HC, divers liants ont été utilisés, tels que les sels de carboxyméthylcellulose, les dérivés de l’acide polyacrylique et le PVDF. Cependant, ces liants entravent la diffusion des ions sodium, résultant en une faible capacité de charge rapide. C’est ici que le nouveau liant développé par les chercheurs du JAIST entre en jeu.

Innovation avec l’Acide Polyfumarique (PFA)

L’équipe dirigée par le professeur Noriyoshi Matsumi et le doctorant Amarshi Patra a développé un liant à base d’acide polyfumarique (PFA), qui promet de résoudre les problèmes précédents. Le PFA est un polymère de haute densité fonctionnelle avec de l’acide carboxylique sur tous les atomes de carbone de sa chaîne principale, ce qui améliore la diffusion des ions sodium et offre une meilleure adhérence à l’électrode.

Avantages du PFA

Le PFA améliore non seulement la diffusion des ions, mais il est également soluble dans l’eau et non toxique. Son précurseur, l’acide fumarique, est un polymère à base biologique, ce qui le rend plus durable. Dans les tests réalisés, les électrodes avec PFA ont montré une adhérence significativement supérieure aux composants de l’électrode et au collecteur de courant en cuivre, ce qui est crucial pour la longévité des batteries.

Processus de fabrication et résultats

Les chercheurs ont synthétisé le PFA par hydrolyse d’esters de polyfumarate. Ensuite, ils ont mélangé le HC, le carbone Super P et le PFA dans l’eau pour former une pâte aqueuse, qui a été appliquée sur une feuille de cuivre et séchée pour produire une anode HC. Cette anode, avec un disque métallique de sodium et 1,0 M de NaClO4 comme électrolyte, a été utilisée pour construire une demi-cellule à anode.

Tests d’adhérence et de performance

Dans les tests de pelage, l’électrode HC avec le liant PFA a montré une force de pelage de 12,5 N, dépassant les électrodes avec acide polyacrylique (11,5 N) et PVDF (9,8 N). Les tests de charge/décharge ont démontré des capacités spécifiques de 288 mAh/g et 254 mAh/g à des densités de courant de 30 mA/g et 60 mA/g, respectivement. De plus, la demi-cellule à anode a maintenu 85,4 % de sa capacité après 250 cycles, indiquant une excellente stabilité à long terme.

Le coefficient de diffusion d’ions sodium pour l’électrode PFA-HC était remarquablement supérieur à celui des électrodes avec acide polyacrylique et PVDF, ce qui confirme les avantages du nouveau liant.

Applications futures et collaborations

Le Prof. Matsumi a exprimé son intérêt pour futures collaborations avec des entreprises pour amener cette technologie sur le marché. Le PFA, étant un liant durable et efficace, n’a pas seulement des applications dans les BIS, mais peut également être utilisé dans une large gamme de dispositifs de stockage d’énergie.

Cette avancée pourrait stimuler l’utilisation généralisée de dispositifs énergétiques à faible coût basés sur les BIS, favorisant une société plus efficace du point de vue énergétique et respectueuse de l’environnement.

Références : Mentes Curiosas et DOI: 10.1039/D4TA00285G.