Le graphène ouvre la voie aux batteries sodium-ion durables

Même si les ions lithium fonctionnent bien pour le stockage de l’énergie, le lithium est un métal coûteux qui suscite des inquiétudes quant à son approvisionnement à long terme et aux problèmes environnementaux.

Le sodium, en revanche, est un métal abondant et peu coûteux, principal ingrédient de l'eau de mer (et du sel de cuisine). Cela fait des batteries sodium-ion une alternative intéressante et durable pour réduire nos besoins en matières premières critiques. Cependant, l'un des principaux défis consiste à augmenter leur capacité.

Au niveau de performance actuel, les batteries sodium-ion ne peuvent rivaliser avec les cellules lithium-ion. L'un des facteurs limitants est le graphite, composé de couches superposées de graphène et utilisé comme anode dans les batteries lithium-ion actuelles.

Les ions s'intercalent dans le graphite, ce qui signifie qu'ils peuvent entrer et sortir des couches de graphène et être stockés pour la consommation d'énergie. Les ions sodium sont plus gros que les ions lithium et interagissent différemment. Par conséquent, ils ne peuvent pas être stockés efficacement dans la structure du graphite. Mais les chercheurs de Chalmers ont trouvé une solution innovante pour résoudre ce problème.

Jinhua Sun, chercheur au Département des sciences industrielles et des matériaux de Chalmers et premier auteur de l'article scientifique, publié dans Science Advances.

Nous avons ajouté un espaceur moléculaire sur un côté de la couche de graphène.

« Lorsque les couches sont empilées, la molécule crée un espace plus grand entre les feuilles de graphène et fournit un point d'interaction, ce qui conduit à une capacité nettement plus élevée »,

Dix fois la capacité énergétique du graphite standard

En règle générale, la capacité d'intercalation du sodium dans le graphite standard est d'environ 35 milliampères-heures par gramme (mAh·g-1). Cela représente moins d'un dixième de la capacité d'intercalation des ions lithium dans le graphite. Avec le nouveau graphène, la capacité spécifique des ions sodium est de 332 milliampères-heures par gramme, ce qui est proche de la valeur du lithium dans le graphite. Les résultats ont également montré une réversibilité totale et une grande stabilité au cyclage.

Professeur Aleksandar Matic au Département de physique de Chalmers.

C’était vraiment passionnant d’observer l’intercalation des ions sodium avec une capacité aussi élevée.

« La recherche en est encore à ses débuts, mais les résultats sont très prometteurs. Ils démontrent qu'il est possible de concevoir des couches de graphène présentant une structure ordonnée adaptée aux ions sodium, ce qui la rend comparable au graphite. »

Le graphène « divin » Janus ouvre la voie aux batteries durables

L'étude a été initiée par Vincenzo Palermo dans son précédent rôle de vice-directeur du Graphene Flagship, un projet financé par la Commission européenne et coordonné par l'Université de technologie de Chalmers.

Le nouveau graphène présente une fonctionnalisation chimique asymétrique sur ses faces opposées et est donc souvent appelé graphène Janus, d'après le dieu romain à deux visages Janus, dieu des nouveaux commencements, associé aux portes et aux premiers pas du voyage. Dans ce cas, le graphène Janus est étroitement lié à la mythologie romaine, ouvrant potentiellement la voie aux batteries sodium-ion de grande capacité.

Vincenzo Palermo, professeur affilié au département des sciences industrielles et des matériaux de Chalmers.