Des chercheurs américains ont découvert pourquoi les batteries à l’état solide au sodium pouvaient durer plus longtemps sans perdre en capacité, tout en découvrant une manière surprenante de faire croître des cristaux de sodium métallique à l’aide de puissants faisceaux d’électrons.
Le projet a été dirigé par des chercheurs de l’Université de Chicago, qui ont uni leurs forces avec celles du Argonne National Laboratory (ANL) et de Thermo Fisher Scientific. Ils ont découvert que le sodium métallique peut se former directement à partir d’un électrolyte solide sans développer de couche chimique nocive liée à la dégradation de la batterie.
L’équipe a également découvert que les microscopes électroniques, qui sont souvent utilisés pour examiner les matériaux des batteries au niveau atomique, peuvent endommager les matériaux qu’ils sont censés étudier. Selon l’équipe, cela pourrait améliorer les batteries au sodium.
« Zoomer et être capable de voir ce qui se passe aux interfaces entre les composants de la batterie est un outil inestimable pour diagnostiquer ce qui ne va pas dans nos batteries et pour comprendre comment nous pouvons résoudre ce problème et le résoudre dans la prochaine génération », a souligné James Burrow, PhD, directeur adjoint adjoint de l’ESRA.
Défauts cachés de la batterie
La plupart des batteries rechargeables modernes reposent sur des cellules lithium-ion. Cependant, les réserves de lithium sont limitées et certaines batteries nécessitent des minéraux essentiels tels que le cobalt et le cuivre. Le sodium offre une alternative plus largement disponible.
En 2024, l’équipe de l’Université de Chicago a développé la première batterie à l’état solide au sodium sans anode au monde. Il s’est montré prometteur en matière de charge rapide et de stockage d’énergie à long terme. Pour mieux comprendre ses performances, ils ont examiné l’électrolyte solide utilisé dans la batterie grâce à la microscopie électronique avancée.
Crédit : John Zich
Cependant, l’équipe de recherche s’est rendu compte que les puissants faisceaux d’électrons à l’intérieur du microscope pouvaient modifier la structure et la chimie des matériaux sensibles des batteries et produire des résultats trompeurs. Pour relever ce défi, ils ont utilisé des détecteurs avancés capables de capturer des informations détaillées avec seulement 10 à 50 électrons par angström carré.
Burrow a déclaré que l’équipe avait utilisé un faisceau d’électrons pour examiner l’échantillon. « Dans ce processus, les électrons interagissent avec l’échantillon et le détruisent également », a-t-il déclaré. « C’est quelque chose qui est souvent négligé dans la littérature. »
Ils ont découvert que le refroidissement du matériau à des températures extrêmement basses n’évitait pas les dommages, contrairement aux études précédentes sur les batteries. Au lieu de cela, l’équipe a identifié la charge électrostatique comme la cause principale.
Formation de cristaux de sodium
À la surprise des chercheurs, le mécanisme inattendu des dommages a conduit à une autre découverte importante. Lorsque le faisceau d’électrons chargeait l’électrolyte solide, il poussait les ions sodium hautement mobiles à travers le matériau.
En dirigeant le faisceau vers une section de l’échantillon, les chercheurs ont pu déclencher la formation de cristaux de sodium métallique sur le côté opposé. Cela a créé une nouvelle interface entre le sodium métallique et l’électrolyte solide, semblable à ce qui se produit lorsqu’une batterie au sodium sans anode se charge pour la première fois.
Plus important encore, l’équipe a confirmé qu’aucune interphase d’électrolyte solide (SEI) n’a réagi entre les deux matériaux. Ces couches peuvent contribuer à la perte de capacité des batteries conventionnelles.
« Nous avons la preuve que nous recherchions démontrant qu’aucune réaction SEI ne se forme entre les composants et que c’est ce qui permet à ce système de fonctionner aussi longtemps sans perte de capacité », a déclaré Thomas Marchese, doctorant à l’Université de Chicago et auteur principal de l’étude.
Le groupe espère désormais étudier comment les cristaux de sodium se développent et s’organisent à l’interface. « Ensuite, nous pouvons étudier la cristallographie du sodium qui se développe directement à l’interface, ce qui est d’une grande valeur pour une meilleure conception des piles à combustible de nouvelle génération », a-t-il conclu.
