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RÉSUMÉ
La technologie sodium-ion apparaît comme complémentaire aux systèmes d’accumulateurs Li-ion tout en s’inscrivant dans les politiques de développement durable. Nous décrivons dans cet article le principe de fonctionnement d’un accumulateur Na-ion, ainsi que les matériaux utilisés ou susceptibles de l’être, en tant que matériaux d’anode et de cathode. Du côté de l’électrode négative, le carbone dur reste le matériau le plus utilisé bien que d’autres matériaux d’insertion, d’alliage ou de conversion présentent un potentiel. Les matériaux d’électrode positive se classent en analogues du bleu de Prusse, matériaux polyanioniques et oxydes de métaux de transition.
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Sébastien CAHEN : Maître de conférences - Université de Lorraine, CNRS, IJL, Nancy, France
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Claire HÉROLD : Directrice de recherche - Université de Lorraine, CNRS, IJL, Nancy, France
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Lucie SPEYER : Maître de conférences - Université de Lorraine, CNRS, IJL, Nancy, France
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Tanguy SOUDANT : Doctorant - CNRS – CRISMAT – UMR 6508 ENSICAEN-UNICAEN-CNRS, Caen (France)
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Valérie PRALONG : Directrice de recherche - CNRS – CRISMAT – UMR 6508 ENSICAEN-UNICAEN-CNRS, Caen (France)
INTRODUCTION
Dans le cadre des politiques de développement durable, de nombreuses technologies font l’objet de travaux de recherche scientifique dans les laboratoires. Parmi ces technologies, les accumulateurs électrochimiques de type batteries alcalins-ions se sont fait une place de choix dans notre quotidien. Cela se traduit notamment par la démocratisation de la batterie lithium-ion, largement déployée pour des applications mobiles (téléphones et ordinateurs portables, véhicules électriques). Toutefois, d’autres technologies complémentaires comme les batteries sodium-ion se doivent d’être optimisées au regard du développement incontournable d’un mix énergétique. Ces batteries apparaissent comme des accumulateurs électrochimiques particulièrement intéressants pour des applications stationnaires, notamment pour le stockage de l’énergie intermittente (solaire, éolien). Les batteries Na-ion présentent notamment l’avantage d’impliquer des éléments non critiques et écoresponsables pour le développement des matériaux d’électrode qui restent toutefois à optimiser.
Dans cet article, le principe de fonctionnement d’une batterie Na-ion est explicité, et ses performances sont comparées à celles de sa grande sœur Li-ion. Nous proposons ensuite une présentation des matériaux d’électrodes négative et positive de ces batteries, ainsi que la chimie du solide mise en jeu, au regard des connaissances actuelles. Les anodes sont présentées selon les types de chimie qui les sous‑tendent vis‑à-vis du sodium (réactions d’intercalation, d’alliage, de conversion) ; pour les matériaux utilisés en tant que cathode, une classification en fonction de la cristallochimie des phases est fournie : analogues du bleu de Prusse, systèmes polyanioniques et oxydes de métaux de transition.
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3. Conclusion
Les batteries Li-ion sont depuis de nombreuses années maintenant l’un des dispositifs majeurs de stockage de l’énergie, issus d’un vaste travail de recherche sur plusieurs décennies. Afin de pallier la problématique de la criticité et du coût de certains de ses éléments constitutifs, notamment le lithium, les batteries Na-ion bénéficient d’un important regain d’intérêt. Bien que leur densité énergétique soit moindre, elles constituent un complément et/ou une alternative prometteuse aux batteries Li-ion pour certaines applications telles que le stockage stationnaire de l’énergie intermittente.
L’optimisation des performances de ces batteries passe par celle des matériaux constituant les électrodes négative et positive, celles-ci constituant des structures hôtes pour les ions sodium qui vont se déplacer d’une électrode à l’autre lors des cycles de charge et de décharge de la batterie. Il est notamment essentiel de développer des matériaux avec une grande capacité de stockage, un potentiel de fonctionnement élevé à l’électrode positive et bas à la négative, ainsi qu’une bonne cyclabilité.
Il est possible de classifier les matériaux d’électrode négative selon leur mode de stockage des ions sodium : on peut distinguer les matériaux d’insertion, de conversion, d’alliage, et de conversion-alliage. Parmi les matériaux d’insertion, les carbones durs sont les plus étudiés en raison de leurs performances et de leur élaboration relativement simple. Les matériaux de conversion, d’alliage et de conversion-alliage font intervenir des éléments métalliques et possèdent généralement des capacités très élevées, mais il est souvent nécessaire de passer par leur nanostructuration, leur utilisation dans des composites, voire leur amorphisation afin de pallier les problèmes d’expansion volumique et de stabilité structurale lors de la sodation.
Parmi les grandes familles de matériaux d’électrode positive, on trouve les oxydes de métaux de transition, les matériaux polyanioniques et enfin les analogues du bleu de Prusse. Leurs structures font apparaître, suivant les cas, des espaces bidimensionnels ou bien des canaux tridimensionnels pour le stockage des ions sodium.
Les avantages et inconvénients de ces grandes classes de matériaux d’électrodes sont présentés et font apparaître la nécessité de poursuivre les recherches sur...
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BIBLIOGRAPHIE
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