Bibliographie & annexes
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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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Conclusion2. Matériaux d’électrodes
Quelle que soit l’électrode considérée, la technologie Na-ion bénéficie des nombreux travaux qui ont été réalisés afin de développer les batteries Li-ion depuis leur commercialisation en 1991. Ainsi, la technologie Na-ion met en œuvre des matériaux d’électrodes négatives et positives très similaires, qu’ils soient sodés ou lithiés .
À l’électrode négative, trois principales familles de matériaux vont pouvoir être rencontrées : les matériaux d’insertion, les matériaux d’alliage et les matériaux de conversion. Ceux-ci se différencient par les mécanismes de sodation mis en jeu. De même, les matériaux principalement utilisés à l’électrode positive peuvent également être subdivisés en trois groupes, cette fois-ci au regard de la cristallochimie des phases considérées : les analogues du bleu de Prusse, les composés polyanioniques et les oxydes de métaux de transition.
2.1 Matériaux d’électrode négative
Le graphite est la variété thermodynamiquement stable du carbone dans les conditions standards de température et de pression. Il est constitué d’atomes de carbone trivalents hybridés sp2. Les atomes de carbone sont reliés entre eux par des liaisons covalentes fortes dans le plan (dC-C = 142 pm), et les feuillets de graphène qui le composent s’empilent selon une séquence ABAB dans la direction de l’axe c. La cohésion entre ces feuillets...
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Matériaux d’électrodes
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - YAN (G.), MARIYAPPAN (S.), ROUSSE (G.), JACQUET (Q.), DESCHAMPS (M.), DAVID (R.), MIRVAUX (B.), FREELAND (J. W.), -TARASCON (J.-M.) - Higher energy and safer sodium ion batteries via an electrochemically made disordered Na3V2(PO4)2F3 material. - Nature Communications, 10, p. 585 (2019).
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(4) - LARCHER (D.), TARASCON (J.-M.) - Towards greener and more sustainable batteries for electrical energy storage. - Nature Chemistry, 7, p. 19-29 (2015).
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(5) - METROT (A.), GUERARD (D.), BILLAUD (D.), HEROLD (A.) - New results about the sodium-graphite system. - Synthetic Metals, 1, p. 363-369...
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