fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche dirigée par le professeur associé Palani Balaya, du Département de génie mécanique de la Faculté de design et d'ingénierie de l'Université nationale de Singapour, a réussi à résoudre les problèmes clés de sécurité et de performance des batteries tout-solide au sodium en utilisant un additif à faible coût, le nitrure de carbone graphitique (GCN). Cette avancée offre une voie évolutive vers des batteries tout-solide au sodium sûres et économiques, et les résultats ont été publiés dans la revue Advanced Functional Materials.
La répartition inégale des ressources en lithium dans le monde et la hausse des coûts poussent l'industrie à rechercher des alternatives. Le sodium est environ 1 000 fois plus abondant que le lithium dans la croûte terrestre et peut être extrait de l'eau de mer, ce qui en fait un choix idéal pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau. Cependant, la plupart des batteries sodium-ion dépendent d'électrolytes liquides inflammables, ce qui présente des risques de sécurité. Les électrolytes polymères solides peuvent éliminer ces risques, mais leur conduction des ions sodium est lente et leur contact avec l'anode en sodium métallique est instable, favorisant la formation de dendrites qui provoquent des courts-circuits.
L'équipe de recherche a ajouté du GCN à un film d'électrolyte polymère fabriqué à partir d'oxyde de polyéthylène et de sels de sodium. Le GCN est un matériau riche en azote, synthétisé en chauffant de l'urée dans l'air à 550 degrés Celsius, formant des feuilles d'environ deux nanomètres d'épaisseur. La surface spécifique élevée du GCN perturbe la tendance du polymère à former des régions cristallines rigides, favorisant la formation de régions amorphes flexibles, ce qui permet aux ions sodium de se déplacer plus librement. Parallèlement, ses sites actifs riches en azote en surface détachent les ions sodium de leurs sels correspondants, libérant davantage de porteurs de charge. Cet effet combiné double la conductivité ionique de l'électrolyte à 55 degrés Celsius et augmente le nombre de transport de 0,19 à 0,51, réduisant la polarisation et améliorant l'efficacité.
L'additif GCN modifie également l'interface entre l'électrolyte et l'électrode en sodium métallique. Ce polymère composite est trois fois plus résistant que le polymère non modifié, empêchant physiquement la pénétration des dendrites. En même temps, l'additif favorise la formation d'une couche protectrice à base de sodium riche en composés inorganiques à la surface de l'électrode, guidant un dépôt uniforme du sodium et supprimant les réactions secondaires. À une densité de courant de 0,1 mA cm⁻², l'électrolyte modifié a fonctionné de manière stable pendant 1 000 heures sans court-circuit, tandis que l'électrolyte non modifié a subi un court-circuit en 250 heures. À une densité de courant de 0,2 mA cm⁻², l'électrolyte modifié a fonctionné sans défaillance pendant plus de 2 000 heures.
L'équipe de recherche a assemblé des batteries tout-solide utilisant une cathode en phosphate de vanadium et sodium dopé au zinc et enrobée de carbone, ainsi qu'une anode en sodium métallique, pour évaluation. À un taux de charge/décharge de 0,5C, la batterie a conservé 95 % de sa capacité après 500 cycles, avec une efficacité coulombique d'environ 99,97 %, et a pu supporter des taux allant jusqu'à 2C, retrouvant 99 % de sa capacité après un retour à un taux plus faible. Les chercheurs ont également construit une batterie monocouche de type poche, qui a continué à alimenter une diode électroluminescente pendant le pliage, le dépliage et même la découpe, sans court-circuit.
Ce système tout-solide est le dernier résultat du projet de recherche sur les batteries sodium-ion de la Faculté de design et d'ingénierie de l'Université nationale de Singapour. L'équipe a également développé des électrolytes liquides ininflammables, capables de résister à 60 secondes de contact direct avec une flamme et de rester stables à des températures allant jusqu'à 270 degrés Celsius. De plus, elle a développé des électrolytes ignifuges et des cathodes à oxyde lamellaire résistantes à l'humidité. Actuellement, l'équipe optimise les batteries sodium-ion tout-solide pour un fonctionnement stable proche de la température ambiante, visant des performances stables à 45 degrés Celsius, tout en développant une architecture tout-solide bipolaire pour améliorer la densité énergétique.
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