Le lithium attire l’attention, mais le sodium, bon marché et abondant, est depuis longtemps la clé du stockage d’énergie à grande échelle. Il n’y a qu’un seul piège. Les batteries sodium-soufre se dégradent rapidement.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences (CAS) ont surmonté un obstacle majeur qui entravait la technologie depuis des années, en utilisant un métal trouvé dans les canettes de soda ordinaires.
Dirigé par les Profs. Wang Hui et Zheng Fangcai du laboratoire de champ magnétique élevé de Hefei, l’équipe a réussi à repenser l’aluminium à un seul atome pour surpasser les éléments de terres rares bien plus coûteux.
Les chercheurs ont développé un catalyseur efficace à un seul atome d’aluminium pour surmonter les limitations de performances des catalyseurs métalliques du groupe principal dans les batteries sodium-soufre (Na – S).
« Cela a créé une structure asymétrique avec trois atomes d’oxygène et un atome d’azote autour de chaque atome d’Al », a écrit l’équipe dans le communiqué de presse.
« Les batteries ont également maintenu des performances stables sur des milliers de cycles de charge-décharge, montrant un bon potentiel pour des batteries sodium-soufre de longue durée », ajoute-t-il.
Briser la symétrie
Pendant longtemps, la recherche de batteries longue durée s’est concentrée sur les métaux lourds précieux comme le platine, le cobalt ou le nickel. Les métaux du groupe principal comme l’aluminium étaient des catalyseurs moins chers et non toxiques, mais fondamentalement paresseux. Et il lui manquait tout simplement le punch catalytique nécessaire pour gérer les polysulfures de sodium. Ces composés intermédiaires volatils se déplacent et se dissolvent de la cathode, réduisant ainsi la durée de vie de la batterie.
L’équipe a trouvé la solution en brisant la symétrie atomique. En règle générale, les atomes d’aluminium isolés sont confortablement entourés de quatre atomes d’oxygène (Al – O4). L’équipe de Hefei a extrait un seul atome d’oxygène et l’a remplacé par un atome d’azote. Ce seul changement a créé une structure de coordination asymétrique Al-O3N.
La modification de la distribution électronique locale autour de l’atome d’aluminium central par une seule substitution d’azote a créé une forte charge électrique localisée. Cette charge a favorisé une hybridation orbitale pp intense entre les sites d’aluminium et les espèces soufrées au sein de la cellule de la batterie. En conséquence, la navette de polysulfure a été efficacement supprimée, entraînant des améliorations immédiates de la vitesse de réaction et de la stabilité électrochimique globale.
Test de performance de la cathode
Les polysulfures en fuite ont été efficacement piégés, évitant ainsi la perte de matière, tandis que les réactions chimiques internes se sont fortement accélérées.
Lors de tests en laboratoire, la nouvelle cathode à base d’aluminium a démontré une production d’énergie exceptionnelle et une durabilité à long terme. Il offrait une capacité de stockage élevée de 1 196 mAh g⁻¹ après 100 cycles. Et même après 2 500 cycles de charge-décharge continus, ses performances ont chuté de 0,017 % microscopique par cycle. Cette stabilité exceptionnelle permet au matériau aluminium peu coûteux de surpasser facilement les catalyseurs de métaux de transition beaucoup plus coûteux.
« Les résultats soulignent l’importance de l’environnement atomique local dans la détermination de l’activité catalytique des catalyseurs à atome unique et offrent de nouvelles possibilités pour concevoir des catalyseurs efficaces basés sur les métaux du groupe principal », ont déclaré les chercheurs.
Alors que les opérateurs de réseau recherchent des alternatives plus sûres et moins chères au lithium pour le stockage de l’énergie renouvelable, l’ajustement de l’architecture atomique d’éléments abondants comme l’aluminium offre une voie à suivre claire et évolutive.
L’étude a été publiée dans la revue Chimie modifiée.
