A la une
Alternatives moins chères aux batteries lithium-ion, celles à base de sodium souffrent de performances moindres. Depuis Bordeaux, une équipe travaille à les améliorer et à fabriquer des électrodes à partir de déchets de production des batteries.
Fabrication d'une cellule de batterie sodium-ion : cellules ouvertes. © Cyril FRESILLON / Tiamat / CNRS Images
Que ce soit dans nos smartphones ou dans des véhicules électriques, les batteries lithium-ion sont partout. Elles fonctionnent grâce à l’échange réversible d’ions lithium entre deux électrodes, reliées par un électrolyte liquide. Ces systèmes se sont imposés car ils offrent de nombreux avantages, comme une grande densité d’énergie, c’est-à-dire la quantité d’énergie stockée par unité de volume, et une durée de vie allongée, avec beaucoup de cycles de charge et décharge possibles.
Cependant, le lithium est un matériau critique, dont les principales ressources se trouvent dans des mines en Australie, au Canada, ou dans des saumures en Bolivie et au Chili. L’Europe et la France ne sont donc pas souverains pour leur approvisionnement. De plus, malgré les différentes technologies d’électrodes positives de batteries Li-ion (technologie NMC à base de lithium, nickel, manganèse et cobalt ou technologie LFP à base de lithium, fer et phosphate) le lithium reste incontournable et est même parfois l’élément le plus onéreux, comme dans la technologie LFP.
Des batteries basées sur le sodium
Fabrication d'une cellule de batterie sodium-ion : cellules ouvertes. © Cyril FRESILLON / Tiamat / CNRS Images
Différentes équipes de recherche sont donc en quête d’alternatives au lithium. Le remplacer par du sodium est ainsi moins cher et se base sur un produit bien plus abondant, qui peut par exemple être tiré de l’eau de mer. Les performances des batteries sodium-ion (Na-ion) restent cependant encore inférieures à celles de leurs cousines, notamment en termes d’autonomie, ce qui les rend peu propices pour des applications automobiles. Mais pour le reste, des progrès sont en cours pour rattraper ces performances et continuer à baisser les coûts.
Parmi les chercheurs travaillant sur cette thématique, Jacob Olchowka est chargé de recherche à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) 1. Dans ce laboratoire, où il est entré en 2017, il appartient au groupe Énergie : matériaux et batteries. Il est également membre du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E). Ce réseau de recherche et de transfert technologique, créé par le CNRS en 2011, structure les études sur le domaine en France.
Des solutions nanométriques
Pour améliorer les performances des batteries sodium-ion, notamment au niveau des conductivités ioniques et électroniques des matériaux qui les composent, Jacob Olchowka développe des matériaux d’électrode nanométriques pour permettre d’obtenir des batteries Na-ion pouvant se charger plus rapidement. Cependant, bien que cette approche de réduction de la taille des particules et du contrôle de leur morphologie se révèle très pertinente, elle provoque des risques de réactions accrues entre l’électrolyte et les électrodes, pouvant causer des dégâts irréversibles à ces dernières.
Pour contourner ce problème, Jacob Olchowka utilise en guise de solvants des liquides ioniques pour synthétiser les matériaux d’électrode. Ces sortes de sels liquides remplacent ainsi l’eau ou l’éthanol et offrent des conditions de synthèse uniques pour la fabrication des matériaux, notamment en termes de température de synthèse en milieu liquide. L’eau s’évapore par exemple à 100 °C à pression atmosphérique, alors que certains liquides ioniques restent sous forme liquide jusqu’à des températures avoisinant les 350 °C.
Les liquides ioniques permettent de contrôler la synthèse des matériaux d’électrodes, afin qu’ils croissent de manière contrôlée et s’autoorganisent correctement sous forme d’agrégats. Jacob Olchowka a testé une série de liquides ioniques, ce qui a permis d’obtenir différentes compositions, tailles et morphologies de particules qui forment le matériau d’électrode. Il a ensuite corrélé le tout aux performances en puissance des batteries sodium-ions ainsi obtenues, puis constaté qu’elles s’améliorent au fur et à mesure que les particules rétrécissent. Les travaux ont également pu mettre en lumière les mécanismes de réaction des synthèses « ionothermales », ce qui a permis de mieux comprendre le rôle des liquides ioniques et de mieux maîtriser leur utilisation.
De plus, les études menées à l’ICMCB ont démontré qu’au cours de la synthèse, le liquide vient se greffer en surface des particules conduisant à des effets bénéfiques. « Nous avons mis en évidence qu’une fine couche de liquide ionique restait en surface des particules, formant une couche conductrice qui aide à la conductivité ionique du matériau, ici du sodium et qui permet de le protéger des réactions parasites », explique Jacob Olchowka.
Que faire du sulfate de sodium ?
Le chercheur s’est aussi intéressé à un autre problème des batteries lithium-ion : la valorisation du sulfate de sodium. « Pour chaque kilo de matériau d’électrode de batterie produite, on se retrouve avec 3,5 kilos de sulfate de sodium, précise Jacob Olchowka. C’est une problématique pour les industriels qui ne savent pas comment écouler toute cette poudre peu chère et non toxique. On s’en sert déjà comme additifs dans les détergents et les lessives en poudre, pour éviter la formation de bulles lors de la fabrication du verre et pour blanchir le papier, mais cela ne suffit pas pour valoriser la majorité de ce qui est le plus gros déchet inorganique de l’industrie de la batterie. On en produit lors de l’extraction du lithium, quand on fabrique une batterie et quand on la recycle. »
Jacob Olchowka propose d’utiliser le sulfate de sodium comme précurseur pour les matériaux d’électrode pour batteries sodium-ion. Des travaux réalisés à l’ICMCB, en collaboration avec des chercheurs du CEA de Grenoble et du Laboratoire de réactivité et de chimie des solides (LRCS)2 d’Amiens, ont récemment conduit au dépôt d’un brevet stipulant la découverte d’un nouveau matériau prometteur à base de sulfate de sodium et de fer, un autre élément abondant et moins cher que le lithium. Le chercheur continue ses travaux avec ses collègues dans le cadre du RS2E, toujours en quête de solutions pour des batteries moins onéreuses.
_________________________
Ces recherches ont été financées en tout ou partie par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet « Des liquides ioniques pour nano-structurer et fonctionnaliser la surface de matériaux d’électrode — Nano-INSPIRE ». Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projets Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle.