Modèle de réussite : façonner des électrodes de carbone dur pour les batteries de nouvelle génération

Les scientifiques utilisent des composés inorganiques à base de zinc pour améliorer considérablement la capacité des batteries sodium et potassium-ion.

Batteries lithium-ion (LIB) sont, de loin, le type de piles 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 engins 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 à mesure que sa disponibilité diminuera.

De plus, l’extraction du lithium et les LIB mal jetés posent d’énormes défis 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, Publié dans Matériaux énergétiques avancés 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 avait conduit à la formation de nanopores dans les électrodes lors de l’élimination du MgO, ce qui avait considérablement augmenté leur capacité à stocker le Na.⁺ ions.

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 comparé leurs performances avec celles synthétisées à l’aide 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 NaC_4.8) avec un rendement coulombien initial élevé de 91,7 % et un faible potentiel moyen de 0,18 V par rapport à Na⁺/N / A.

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 est équivalente à la densité énergétique de certains types de LIB actuellement commercialisés avec LiFePO₄ et graphite et représente plus de 1,6 fois la densité énergétique des premiers NIB (192 Wh kg^-1), ce que notre laboratoire a rapporté en 2011. » Notamment, le HC sur modèle ZnO présentait également une capacité significative de 381 mAh g^-1 lorsqu’il est incorporé dans un KIB, démontrant davantage 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.

Façonner le carbone dur pour obtenir des électrodes de grande capacité exceptionnelles pour les batteries sodium-ion : Il est possible d’incorporer des nanopores dans le carbone dur en utilisant l’oxyde de zinc comme modèle lors de sa synthèse. Ces pores permettent au matériau de stocker beaucoup plus de porteurs de charge, ce qui en fait une électrode prometteuse pour les batteries sodium-ion pouvant atteindre une densité énergétique comparable à celle des batteries lithium-ion de type LiFePO4. Crédit image : Shinichi Komaba de TUS Japon

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.

Source: Université des sciences de Tokyo