Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont développé un électrolyte à faible solvatation qui permet à une batterie sodium-ion haute tension de conserver 80 % de sa capacité initiale après 500 cycles, surpassant les performances des électrolytes conventionnels à base de carbonate et des électrolytes localement hautement concentrés.
« Développer des systèmes de batteries alternatifs basés sur des éléments abondants dans la croûte terrestre devient de plus en plus important », ont indiqué les chercheurs dans leur étude publiée dans la revue Nano Energy. Le sodium est le sixième élément le plus abondant de la croûte terrestre, avec des propriétés chimiques similaires au lithium mais des réserves bien supérieures. Les batteries sodium-ion sont donc considérées comme une option privilégiée pour la prochaine génération de technologies de stockage d'énergie.
La clé de la conception de cet électrolyte réside dans l'adoption d'une structure de solvatation intermédiaire, utilisant du phosphate de tris(2,2,2-trifluoroéthyle) (TFP) faiblement solvatant comme diluant traditionnel, ce qui affaiblit la force de liaison entre les ions sodium et les molécules de solvant. Cet ajustement apporte un double avantage : les ions sodium se débarrassent plus rapidement des molécules de solvant lorsqu'ils atteignent la surface de l'électrode, tout en réduisant les possibilités de réactions secondaires des molécules de solvant à l'interface.
L'auteur principal, An L. Phan, explique : « Ce nouvel électrolyte représente une nouvelle stratégie pour moduler la structure de solvatation du sodium, capable de favoriser les réactions bénéfiques et de supprimer les réactions indésirables. » Les tests électrochimiques ont été réalisés à une température constante de 30 degrés Celsius, le système expérimental utilisant de l'hexafluorophosphate de sodium et du sel de bis(fluorosulfonyl)imide de sodium.
Les chercheurs ont également effectué une analyse post-cyclage après 50 cycles, évaluant l'état des électrodes par microscopie électronique à balayage et spectroscopie à dispersion d'énergie. Les résultats montrent qu'avec une cathode en oxyde de sodium-nickel-manganèse-fer et une anode en carbone dur, le nouvel électrolyte améliore efficacement la stabilité de l'interface haute tension et réduit le courant de fuite. Les électrodes ont été fabriquées en enduisant une feuille d'aluminium avec une pâte contenant des liants tels que le polyfluorure de vinylidène, la carboxyméthylcellulose sodique et le caoutchouc styrène-butadiène. L'analyse par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire a en outre validé l'efficacité de la conception de la structure de solvatation.
Cette étude ouvre une nouvelle voie matérielle pour le fonctionnement stable à long terme des batteries sodium-ion dans des conditions de haute tension, contribuant ainsi à promouvoir le développement de technologies de stockage d'énergie durables et à faible coût.