fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université de technologie de Wuhan, en collaboration avec l'Université Jiaotong de Xi'an, a réduit le problème de fissuration des grains des cathodes d'oxyde lamellaire pendant les cycles de charge-décharge des batteries sodium-ion en contrôlant la forme des grains. L'étude, portant sur le P2-Na0.75Ni0.25Mn0.75O2, a permis de préparer des grains prismatiques plus fins en raccourcissant la dimension de l'axe c, ce qui favorise une libération plus efficace de la déformation du réseau cristallin et une réduction de la concentration des contraintes. La cathode optimisée a conservé 96,7 % de sa capacité après 300 cycles à un régime de 5 C, offrant ainsi une voie de conception microstructurale pour améliorer la durée de vie des batteries sodium-ion.
Les batteries sodium-ion sont de plus en plus utilisées dans les scénarios de stockage d'énergie à grande échelle, en raison de l'abondance du sodium, de sa large répartition et de sa compatibilité avec des systèmes chimiques de batteries à faible coût. Les oxydes de métaux de transition lamellaires, utilisés comme matériaux de cathode pour les batteries sodium-ion, offrent une capacité élevée et une bonne extensibilité, mais leur stabilité mécanique constitue un point faible. Lors des insertions et désinsertions répétées des ions sodium, le réseau cristallin subit une expansion et une contraction non uniformes le long de l'axe c, ce qui concentre les contraintes à l'intérieur des grains et provoque des fissures. Les surfaces nouvellement exposées, au contact de l'électrolyte, accélèrent les réactions secondaires et la dégradation de la capacité. Par conséquent, la libération des contraintes au niveau microstructural constitue une voie prometteuse pour améliorer la stabilité des cathodes.
Cette recherche, menée par l'Université de technologie de Wuhan (Wuhan University of Technology) en collaboration avec l'Université Jiaotong de Xi'an (Xi'an Jiaotong University), a été publiée en ligne le 20 mai 2026 dans la revue eScience Energy. L'étude se concentre sur l'influence du contrôle de la dimension de l'axe c sur l'évolution des contraintes dans la cathode lamellaire de type P2 Na0.75Ni0.25Mn0.75O2. Les résultats montrent que des grains plus fins permettent de réduire l'accumulation de déformation, d'améliorer la dissipation des contraintes, d'inhiber les fissures internes et de prolonger la stabilité cyclique de la batterie.
L'équipe de recherche a préparé un échantillon NaNMO à morphologie contrôlée (MT-NaNMO) et un échantillon de comparaison de même composition chimique (C-NaNMO), afin d'isoler l'effet de la géométrie des grains. Les analyses par diffraction des rayons X (DRX) et par microscopie électronique à balayage (MEB) ont confirmé que les deux matériaux conservent la structure lamellaire P2. Le MT-NaNMO forme des grains primaires prismatiques d'une épaisseur d'environ 200 nm le long de l'axe c, tandis que les grains du C-NaNMO mesurent environ 800 nm. La DRX in situ a révélé que les deux échantillons présentent des variations similaires de l'échelle du réseau cristallin pendant les cycles de charge-décharge, la différence clé résidant dans le mode d'accumulation des contraintes. La microscopie électronique à transmission à haute résolution (MET-HR) combinée à l'analyse de phase géométrique (GPA) a montré que le MT-NaNMO présente des franges de réseau stables et un champ de déformation uniforme, tandis que le C-NaNMO présente des distorsions du réseau et des déformations locales. L'analyse par éléments finis (AEF) a en outre démontré qu'une réduction de la dimension de l'axe c permet une distribution plus uniforme des contraintes. Les résultats de la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) et des tests de cyclage ont montré que le MT-NaNMO présente un transport des ions sodium plus rapide, une résistance plus faible et une stabilité à long terme supérieure.
L'équipe de recherche estime que ces travaux offrent une approche pour anticiper la défaillance des batteries avant l'apparition de dommages visibles. Les oxydes lamellaires subissent un mouvement de « respiration » répété lors du stockage des ions sodium ; des grains plus épais entraînent une accumulation progressive des déformations jusqu'à la formation de fissures, tandis qu'en raccourcissant la direction où les contraintes sont les plus concentrées, le matériau peut libérer les contraintes plus tôt et de manière plus uniforme. Ce principe peut fournir une référence au niveau mécanique pour la conception des cathodes, en complément du contrôle de la composition, afin de construire des batteries sodium-ion à stabilité cyclique à long terme.
Les résultats de cette recherche ont une importance pratique pour les systèmes de stockage d'énergie de nouvelle génération. Une simple réduction de la taille globale des particules peut améliorer la libération des contraintes, mais elle risque d'augmenter les réactions secondaires en surface et de diminuer la densité de tassement ; le contrôle de l'axe c, quant à lui, cible la direction la plus pertinente pour les contraintes de traction et la fissuration interne des grains. La cathode MT-NaNMO optimisée atteint une densité d'énergie d'environ 218,3 Wh kg−1 dans une batterie complète associée à une anode en carbone dur (HC), et conserve 92,6 % de sa capacité après 300 cycles à un régime de 2 C. Cette stratégie microstructurale ciblée peut fournir des batteries sodium-ion plus fiables et à plus faible coût pour le stockage des énergies renouvelables et les applications à l'échelle du réseau électrique.
