Les batteries sodium et potassium-ion sont des alternatives prometteuses de nouvelle génération aux batteries lithium-ion (LIB) omniprésentes. Cependant, leur densité énergétique est encore inférieure à celle des LIB. Pour résoudre ce problème, des chercheurs japonais ont exploré une stratégie innovante visant à transformer le carbone dur en un excellent matériau d’électrode négative. En utilisant des composés inorganiques à base de zinc comme modèle lors de la synthèse, ils ont préparé du carbone dur nanostructuré, qui présente d’excellentes performances dans les deux batteries alternatives.
Les batteries lithium-ion (LIB) sont, de loin, le type de batteries rechargeables le plus largement utilisé, couvrant de nombreuses applications. Il s’agit notamment de l’électronique grand public, des véhicules électriques (par exemple les voitures Tesla), des systèmes d’énergie renouvelable et des vaisseaux spatiaux. Bien que les LIB offrent les meilleures performances à bien des égards par rapport aux autres batteries rechargeables, elles présentent leur lot d’inconvénients. Le lithium est une ressource plutôt rare, et son prix augmentera rapidement alors que sa disponibilité diminuera dans le futur. De plus, l’extraction du lithium et les LIB mal jetés posent d’énormes problèmes environnementaux, car les électrolytes liquides couramment utilisés sont toxiques et inflammables.
Les lacunes des LIB ont motivé les chercheurs du monde entier à rechercher des technologies alternatives de stockage d’énergie. Les batteries sodium (Na)-ion (NIB) et les batteries potassium-ion (KIB) sont deux options émergentes qui sont à la fois rentables et durables. Les NIB et les KIB devraient devenir des industries milliardaires d’ici la fin de la décennie. Les gouvernements du monde entier, notamment ceux des États-Unis, de l’Autriche, de Hong Kong, de l’Allemagne et de l’Australie, encouragent la recherche et l’innovation dans ce domaine. De plus, des sociétés telles que Faradion Limited, TIAMAT SAS et HiNa Battery Technology Co. Ltd. investissent massivement dans cette technologie. Contemporary Amperex Technology Co. Limited et Build Your Dreams devraient bientôt introduire des batteries pour véhicules électriques avec NIB.
Malheureusement, la capacité des matériaux d’électrode utilisés dans les NIB et les KIB est toujours en retard par rapport à celle des LIB. Dans ce contexte, une équipe de recherche dirigée par le professeur Shinichi Komaba de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon, a travaillé au développement de matériaux d’électrodes révolutionnaires à haute capacité pour les NIB et les KIB. Dans leur dernière étude, publiée dans Advanced Energy Materials le 9 novembre 2023, ils rapportent une nouvelle stratégie de synthèse d’électrodes nanostructurées en « carbone dur » (HC) qui offrent des performances sans précédent. L’étude a été co-écrite par M. Daisuke Igarashi, Mme Yoko Tanaka et le professeur agrégé junior Ryoichi Tatara de TUS, et le Dr Kei Kubota de l’Institut national de science des matériaux (NIMS), Japon.
Mais qu’est-ce que HC et pourquoi est-il utile pour les NIB et les KIB ? Contrairement à d’autres formes de carbone, comme le graphène ou le diamant, HC est amorphe ; il lui manque une structure cristalline bien définie. De plus, il est solide et résistant. Dans une étude antérieure de 2021, le professeur Komaba et ses collègues avaient trouvé un moyen d’utiliser l’oxyde de magnésium (MgO) comme modèle lors de la synthèse d’électrodes HC pour les NIB, modifiant ainsi leur nanostructure finale. Le processus a conduit à la formation de nanopores dans les électrodes lors de l’élimination du MgO, ce qui a considérablement augmenté leur capacité à stocker les ions Na+.
Motivés par leurs découvertes précédentes, les chercheurs ont exploré si des composés à base de zinc (Zn) et de calcium (Ca) pourraient également être utiles comme nano-modèles pour les électrodes HC. À cette fin, ils ont systématiquement étudié différents échantillons de HC fabriqués à partir d’oxyde de zinc (ZnO) et de carbonate de calcium (CaCO3) et ont comparé leurs performances avec ceux synthétisés à partir d’oxyde de magnésium (MgO).
Des expériences préliminaires ont montré que le ZnO était particulièrement prometteur pour l’électrode négative des NIB. En conséquence, les chercheurs ont optimisé la concentration de ZnO intégré dans la matrice HC lors de la synthèse, démontrant une capacité réversible de 464 mAh g-1 (correspondant à NaC4,8) avec une efficacité coulombienne initiale élevée de 91,7 % et un faible potentiel moyen de 0,18. V contre Na+/Na.
L’équipe a obtenu des résultats remarquables en incorporant ce puissant matériau d’électrode dans une véritable batterie. « Le NIB fabriqué en utilisant le HC optimisé sur modèle ZnO comme électrode négative présentait une densité d’énergie de 312 Wh kg-1 », souligne le professeur Komaba. « Cette valeur équivaut à la densité énergétique de certains types de LIB actuellement commercialisés avec LiFePO4 et graphite et est plus de 1,6 fois la densité énergétique des premiers NIB (192 Wh kg-1), que notre laboratoire a rapportée en 2011. » Notamment, le HC sur modèle ZnO présentait également une capacité significative de 381 mAh g-1 lorsqu’il était incorporé dans un KIB, démontrant ainsi son potentiel.
Pris ensemble, les résultats de cette étude montrent que l’utilisation de nanoparticules inorganiques comme modèle pour contrôler la structure des pores peut constituer une ligne directrice efficace pour le développement d’électrodes HC. « Nos résultats prouvent que les HC sont des candidats prometteurs pour les électrodes négatives comme alternative au graphite », conclut le professeur Komaba.
À son tour, cela pourrait rendre les NIB viables pour des applications pratiques, telles que le développement d’appareils électroniques grand public et de véhicules électriques durables, ainsi que de systèmes de stockage d’énergie à faible empreinte carbone pour stocker l’énergie provenant de parcs solaires et éoliens.
