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Une équipe internationale de scientifiques a découvert qu’au lieu du lithium (Li), le sodium (Na) « empilé » d’une manière spéciale peut être utilisé pour la production de batteries. Les batteries au sodium seraient nettement moins chères et d’une capacité équivalente, et même supérieure, à celle des batteries au lithium.

Le sodium pour remplacer le lithium

Il est difficile de surestimer le rôle des batteries au lithium-ion dans la vie moderne. Ces batteries sont partout : dans les téléphones intelligents, les ordinateurs portables, les appareils photo, ainsi que dans divers types de véhicules et de vaisseaux spatiaux. Les batteries au lithium-ion sont arrivées sur le marché en 1991 et, en 2019, leurs inventeurs ont reçu le prix Nobel de chimie. En même temps, le lithium est un métal alcalin coûteux, et ses réserves sont limitées à l’échelle mondiale. Actuellement, il n’existe pas d’alternative efficace aux batteries lithium-ion. Comme le lithium est l’un des éléments chimiques les plus légers, il est très difficile de le remplacer pour créer des batteries efficaces.
L’équipe de scientifiques de NUST MISIS, de l’Académie des sciences de Russie et du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, dirigée par le professeur Arkadiy Krashennikov, propose une alternative. Ils ont découvert que si les atomes sont « empilés » d’une certaine manière, alors les métaux alcalins autres que le lithium présentent également une forte capacité énergétique. Le remplacement le plus prometteur du lithium est le sodium (Na), car un arrangement à deux couches d’atomes de sodium en sandwich bigraphène démontre une capacité anodique comparable à celle d’une anode en graphite classique dans les batteries Li-ion – environ 335 mA*h/g contre 372 mA*h/g pour le lithium. Cependant, le sodium est beaucoup plus commun que le lithium, et donc moins cher et plus facile à obtenir.

Empiler des atomes de sodium

Une façon particulière d’empiler ces atomes de sodium consiste à les placer les uns au-dessus des autres. Cette structure est créée en transférant des atomes d’une pièce de métal dans l’espace entre deux feuilles de graphène sous haute tension, ce qui simule le processus de chargement d’une batterie. Au final, cela ressemble à un sandwich composé d’une couche de carbone, de deux couches de métal alcalin et d’une autre couche de carbone.
Ilya Chepkasov, chercheur au laboratoire de nanomatériaux inorganiques déclare : « pendant longtemps, on a cru que les atomes de lithium des batteries ne pouvaient être situés que dans une seule couche, sinon le système serait instable. Malgré cela, des expériences récentes ont montré qu’avec une sélection minutieuse il est possible de créer des structures multicouches stables de lithium entre les couches de graphène. Cela ouvre de larges perspectives pour augmenter la capacité de ces structures. C’est pourquoi nous avons voulu étudier la possibilité de former des structures multicouches avec d’autres métaux alcalins, dont le sodium, en utilisant la simulation informatique ».
Zakhar Popov, chercheur principal déclare : « notre simulation montre que les atomes de lithium se lient beaucoup plus fortement au graphène, mais l’augmentation du nombre de couches de lithium entraîne une moins bonne stabilité. La tendance inverse est observée dans le cas du sodium : plus le nombre de couches de sodium augmente, plus la stabilité de ces structures augmente, nous espérons donc que de tels matériaux seront obtenus lors de futures expériences ».

Créer un échantillon expérimental

La prochaine étape pour l’équipe consiste à créer un échantillon expérimental et à l’étudier en laboratoire. Ce travail sera effectué à l’Institut Max Planck pour la recherche sur l’état solide, à Stuttgart, en Allemagne. En cas de succès, cela pourrait déboucher sur une nouvelle génération de batteries au sodium qui seront nettement moins chères et d’une capacité équivalente à celle des batteries au Li-ion.
Cette recherche a été publiée dans Nano Energy.
Source : National University of Science ans Technology
Crédit photo : Pexels

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