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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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1. La technologie Na-ion
Au XXIe siècle, la technologie Li-ion s’est largement démocratisée. Selon l’Avere (Association nationale pour le développement de la mobilité électrique), le parc roulant électrique est passé de 102 véhicules en 2010 à près de 300 000 en 2020. En 2023, environ 900 000 véhicules 100 % électriques (sans parler des véhicules hybrides) sont immatriculés parmi les 38,7 millions de véhicules roulants. S’il est difficile d’obtenir des chiffres stabilisés, on estime que plus de 90 % de la population française de plus de 15 ans dispose d’au moins un smartphone. On peut alors estimer le nombre de téléphones portables en circulation en France compris en 50 et 75 millions d’unités. L’avènement de la technologie Li-ion s’accompagne ces dernières années de polémiques liées au caractère critique des matériaux employés pour l’utilisation à grande échelle d’une telle technologie. À ce titre, une technologie alternative s’est développée dans les laboratoires, avant de se voir récemment distribuée plus largement auprès du grand public (commercialisation d’un tournevis sans fil Dexter® sodium 3,6 V 0,7 Ah en 2023). Bien qu’apparaissant auprès des acteurs du monde socioéconomique comme une technologie nouvelle et innovante, il faut savoir que la technologie Na-ion était étudiée dès les années 1970-1980 .
Toutefois, à cette époque et face aux performances théoriques annoncées pour les batteries Li-ion, les efforts consacrés à la technologie Na-ion se sont vite éteints avant de revenir sur le devant de la scène ces dix dernières années. Si cette technologie apparaît actuellement mature, force est de constater que son développement a tout de même largement bénéficié des savoirs, savoir-faire et compétences acquis dans la longue histoire des batteries Li-ion, lesquelles ont valu le prix Nobel de chimie 2019 à Stanley Whittingham, John...
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BIBLIOGRAPHIE
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