Le renouveau des batteries sodium-ion à température ambiante
En raison des réserves abondantes de sodium (Na) dans la croûte terrestre et des propriétés physicochimiques similaires du sodium et du lithium, le stockage électrochimique de l’énergie à base de sodium est très prometteur pour le stockage d’énergie à grande échelle et le développement du réseau. Par exemple, les cellules d’activité de recherche sur les batteries à haute température sans émission basées sur des systèmes Na/NiCl2 et les cellules Na-S à haute température, qui sont des cas commerciaux réussis d’applications fixes et mobiles, ont déjà démontré le potentiel des batteries rechargeables à base de sodium. Cependant, leur température de fonctionnement élevée, d'environ 300 °C, pose des problèmes de sécurité et diminue l'efficacité aller-retour des batteries sodium-ion (SIB). Les SIB à température ambiante (RT) sont donc largement considérés comme la technologie alternative la plus prometteuse aux LIB.
Au cours de l’histoire des batteries au cours des 200 dernières années, la recherche sur les SIB a été menée avec ferveur parallèlement au développement des LIB. L’activité électrochimique du TiS2 pour le lithium et sa faisabilité pour le stockage d’énergie ont été mises en avant pour la première fois dans les années 1970. Suite à cette découverte, la capacité des ions Na à s'insérer dans TiS+2 a été réalisée au début des années 1980. Avec la découverte du graphite comme matériau d'anode à faible coût et de capacité modérée pour les LIB et l'échec de l'intercalation des ions sodium, le développement rapide des LIB s'est produit dans les années 1990, supplantant la croissance de la chimie du sodium. Puis, en 2000, la possibilité de stocker le sodium dans du carbone dur (HC), qui fournirait une capacité énergétique similaire à celle du Li dans le graphite, a relancé l'intérêt de la recherche pour les SIB.
Une comparaison entre la batterie sodium-ion et la batterie lithium-ion
La renaissance des SIB, couplée à la pression toujours croissante due au manque de disponibilité des réserves de lithium et à la hausse correspondante des coûts, offre une stratégie complémentaire aux LIB. Les SIB font l'objet d'une attention croissante de la part de la recherche, combinée à des réalisations fondamentales en science des matériaux, dans le but de satisfaire la pénétration croissante des technologies d'énergies renouvelables. Les composants cellulaires et les mécanismes de réaction électrochimique des SIB sont fondamentalement identiques à ceux des LIB, à l’exception du porteur de charge, qui est Na dans l’un et Li dans l’autre. La principale raison de l’expansion rapide de la chimie des matériaux SIB est attribuée aux parallèles dans les propriétés physico-chimiques entre les deux métaux alcalins.
Premièrement, les principes de fonctionnement et la construction des cellules des SIB sont similaires à ceux des LIB commerciaux, bien que Na servant de porteur de charge. Quatre composants principaux existent dans un SIB typique : un matériau cathodique (généralement un composé contenant du Na) ; un matériau d'anode (ne contenant pas nécessairement Na) ; un électrolyte (à l'état liquide ou solide) ; et un séparateur. Au cours du processus de charge, les ions sodium sont extraits des cathodes, qui sont généralement des oxydes métalliques en couches et des composés polyanioniques, puis insérés dans les anodes, tandis que le courant circule via un circuit externe dans la direction opposée. Lors de la décharge, Na quitte les anodes et retourne dans les cathodes selon un processus appelé « principe de la chaise berçante ». Ces similitudes ont permis une compréhension préliminaire et une croissance rapide de la technologie SIB.
De plus, le rayon ionique plus grand de Na apporte ses propres avantages : une flexibilité accrue de la positivité électrochimique et une énergie de désolvatation réduite dans les solvants polaires. L’écart plus grand dans le rayon ionique entre le Li et les ions des métaux de transition conduit généralement à une défaillance de la flexibilité de la conception du matériau. En revanche, un système à base de sodium permet des structures solides plus flexibles qu’un système à base de lithium et possède une énorme conductivité ionique. Un exemple typique est le β-Al2O3, pour lequel l’intercalation de Na présente une taille parfaite et une conductivité élevée. Des oxydes de métaux de transition plus stratifiés avec différentes manières d'empilement M+x+ peuvent être facilement réalisés dans un système à base de sodium. De même, la grande variété de structures cristallines connues pour la famille des conducteurs ioniques au sodium (NaSICON) est beaucoup plus compliquée que celle des analogues du lithium. Plus important encore, une conductivité ionique beaucoup plus élevée peut être autorisée dans les composés NaSICON, qui dépasse de loin la conductivité ionique des composés conducteurs ioniques au lithium (LiSICON).
Enfin, des études systématiques avec différents solvants polaires aprotiques ont démontré que le rayon ionique plus grand de Na provoque une énergie de désolvatation plus faible. Le plus petit Li a une densité de charge de surface autour du noyau plus élevée que Na lorsque les deux possèdent la même valence. Li est donc stabilisé thermodynamiquement en partageant davantage d'électrons avec les molécules de solvant polaire. Autrement dit, Li peut être classé comme un type d’acide de Lewis. En conséquence, une énergie de désolvatation relativement élevée est nécessaire pour le Li hautement polarisé, ce qui conduit à une résistance de transfert relativement importante induite par le transport du Li de l'état liquide (électrolyte) à l'état solide (électrode). Étant donné que l’énergie de désolvatation est étroitement liée à la cinétique de transfert se produisant à l’interface liquide/solide, l’énergie de désolvatation relativement faible constitue un avantage significatif pour la conception de SIB de haute puissance.