Cette cellule capillaire transparente a permis aux chercheurs de développer une batterie sodium-ion sans anode. © Bai Lab
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Bientôt des batteries au sodium sans anode : une révolution ?

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Des chercheurs aux États-Unis viennent de mettre au point un accumulateur d'un nouveau genre, au sodium et sans anode. La découverte pourrait permettre de créer des batteries plus petites, plus écologiques et moins chères.

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Les chercheurs planchent sur des batteries sodium-ion depuis des années comme une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion utilisées dans la plupart des appareils électroniques. En plus d'être plus abondant, et donc moins cher, le sodium (Na) a un impact environnemental largement réduit par rapport au lithium. Toutefois, ces batteries présentent généralement une capacité et une durée de vie plus limitées.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Advanced Science, des chercheurs de l'Université Washington de Saint-Louis aux États-Unis sont parvenus à créer une batterie au sodium en supprimant tout simplement l'anode. Elle est remplacée par une feuille de cuivre comme capteur de courant. Plutôt que d'être captés par l'anode, les ions de sodium se transforment en métal puis se plaquent sur la feuille de cuivre. La phase de recharge de la batterie dissout ce métal et les ions retournent à la cathode. La suppression de l'anode permettra de réduire considérablement la taille des batteries.

Une cellule capillaire unique au monde

Un problème courant dans les accumulateurs est la formation de dendrites, des structures qui poussent sur les électrodes comme des branches d'arbres et réduisent les performances, et peuvent conduire à des courts-circuits. Les prototypes de batteries similaires avaient également souffert de bulles de gaz, des mousses ou des particules de métal déconnectées.

Afin de mieux comprendre ce mécanisme, les chercheurs ont créé un outil unique, une « cellule capillaire » transparente. Plutôt que de fabriquer des prototypes d’accumulateurs, puis les détruire pour analyser l'évolution de la structure interne, cette cellule capillaire permet de suivre le fonctionnement en direct. « Toutes les instabilités de la batterie s'accumulent pendant le fonctionnement, a affirmé Peng Bai qui a dirigé la recherche. Ce qui compte vraiment est l'instabilité durant le processus dynamique, et il n'existe aucune méthode pour le caractériser. »  La création de cet outil transparent a permis d'observer la formation du sodium métal en temps réel.

Les deux vidéos montrent la formation irrégulière très courante dans les prototypes de batteries sans anode, et la formation beaucoup plus régulière dans la nouvelle batterie développée par l’équipe de Peng Bai. © Bai Lab

Réduire le contenu en eau pour réduire les dendrites

Les métaux alcalins comme le sodium réagissent à l'eau. En consultant les cellules capillaires, les chercheurs ont pu se rendre compte que le séchage de l'électrolyte était plus long. Le secret pour réduire la formation de dendrites et autres irrégularités a donc été de réduire la quantité d'eau dans l'électrolyte. « Le contenu en eau doit être à moins de 10 parties par million », a indiqué Peng Bai.

Cette découverte peut surprendre par sa simplicité. « Nous avons prouvé que vous pouvez utiliser la solution la plus simple pour créer la meilleure batterie », résume Peng Bai. Les performances de cette nouvelle batterie sont équivalentes aux accumulateurs lithium-ion classiques, avec la même densité d'énergie. Sans anode, elles seront donc plus petites et moins chères et pourraient impacter les prochaines générations d'appareils, aussi bien les smartphones que les voitures électriques.

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