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Du sodium pour remplacer le lithium des batteries

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Des chercheurs de l'université des sciences de Tokyo ont développé une batterie où le sodium, un métal disponible en grande quantité et peu coûteux, vient remplacer le lithium généralement utilisé. Avec une capacité équivalente à la batterie au lithium, le prototype au sodium présente encore quelques défauts.

Échantillons de sodium métallique. La réaction chimique à l’intérieur d’une batterie sodium doit déplacer plus d’ions pour obtenir la même densité énergétique qu'une batterie lithium-ion. La taille de la batterie est donc bien plus importante. À cette contrainte s'ajoute une moindre durabilité. Toutefois, les recherches vont se poursuivre en raison du faible coût du sodium, par rapport au lithium. © Wikipédia

 

Comment rendre les batteries moins coûteuses ? L'idéal serait de remplacer le lithium, métal rare utilisé dans la plupart des systèmes mobiles. Des chercheurs de l'université des sciences de Tokyo pensent avoir trouvé la solution avec le sodium, abondant sur Terre et présentant des propriétés similaires au lithium.

Smartphones surpuissants aux larges écrans tactiles, tablettes, PC portables, appareils photo et caméras numériques, voitures électriques... Tout ce qui est mobile nécessite des batteries à longue autonomie et de surcroît durables. Si les avancées sont certaines, les chercheurs du monde entier travaillent toujours sur l'optimisation et la miniaturisation des batteries en modifiant les composants des anodes et cathodes. Pour le moment, les batteries lithium-ion sont employées dans la grande majorité des appareils mobiles et même des voitures électriques. Mais le lithium utilisé pour la cathode (l'électrode positive) reste un métal rare. On le trouve essentiellement en Chine et surtout en Bolivie, et ses réserves sont limitées, estimées à 11 millions de tonnes exploitables. Et comme le souligne l'adage, « ce qui est rare est cher », raison pour laquelle les scientifiques n'ont de cesse de chercher à améliorer le stockage de l'énergie pour augmenter à la fois l'autonomie et les performances des batteries, le tout à un prix raisonnable.

Du sodium pour remplacer le lithium des batteries

La solution vient peut-être d'un autre métal, le sodium. Disponible en grande quantité sur Terre, il est beaucoup moins coûteux. En outre, dans une batterie, ses propriétés sont voisines de celles du lithium. C'est ce que vient de prouver une équipe de chercheurs menée par Shinichi Komaba de l'université des sciences de Tokyo avec une étude parue dans Nature

Qu'elle soit composée de lithium ou de sodium, une batterie contient deux électrodes, la cathode (ici à gauche) et l'anode (à droite). Lorsque la batterie est utilisée (c'est la décharge), les ions positifs (ici le lithium) traversent la membrane au sein de l'électrolyte liquide et s'accumulent dans la cathode contraignant les électrons à quitter l’anode (-) en traversant le circuit, c'est-à-dire l'appareil branché sur la batterie (ici représenté par une résistance). C’est l’inverse qui se déroule durant la charge. Les électrons sont injectés dans l'anode, la charge négative attirant les ions positifs qui retournent cette électrode. © Argonne National Laboratory

Pour fabriquer la cathode de leur prototype de batterie, ils ont créé une poudre composée d'un mélange d'oxydes de fer, de manganèse et de sodium. Le tout a été chauffé à 900 °C pendant 12 heures. De son côté, l'anode, autrement dit l'électrode négative, a été réalisée à partir de sodium à la place du mélange de cobalt et de nickel que l'on trouve habituellement sur les batteries lithium-ion. Avec leur prototype, les chercheurs ont obtenu des résultats étonnants avec 190 milliampères-heures par gramme et une tension de 2,75 volts. Des performances voisines de celles des meilleures batteries au lithium actuelles.

Une capacité limitée à 30 cycles de charge

Cependant, par rapport à une batterie au lithium, le volume du prototype est bien plus grand. En effet, la réaction chimique en jeu est différente de celle se produisant dans une batterie au lithium et exige davantage d'ions sodium pour produire la même énergie. Autre inconvénient, et non des moindres, la capacité commence à décliner à partir de 30 cycles de charge-décharge.

Reste donc aux scientifiques à réduire les dimensions de la batterie et surtout à augmenter sa durée de vie. D'autres recherches sur le sujet démontrent qu'il est possible d'y parvenir en utilisant une cathode composée de pentoxyde de vanadium. Le nombre de cycles s'élèverait alors à 200.

Les recherches sont donc loin d'être terminées. Il faudra peut-être attendre une dizaine d'années avant de voir débarquer les premières batteries au sodium de taille raisonnable. Dix ans, c'est sans doute le temps qu'il faudra pour que les premières piles à combustible débarquent. Sur ce point, les dernières avancées sont encourageantes et des constructeurs, comme Apple, ont même déposé des brevets. On peut donc rêver à des téléphones utilisables pendant plusieurs mois sans nécessiter d'autre recharge qu'une cartouche... Adieu lithium et sodium...