L’équipe développe une batterie au sodium stable, efficace et sans anode

Bai Lab développe une batterie au sodium stable, efficace et sans anode

Bingyuan Ma tenant une cellule capillaire transparente. Le laboratoire de Bai de la McKelvey School of Engineering est le seul au monde à disposer de telles cellules de diagnostic. Crédits: Peng Bai Lab

En ce qui concerne les batteries, le lithium-ion est le meilleur que nous ayons en termes de densité d’énergie et de commodité.

Pour l’instant.

Le laboratoire de l’Université de Washington à Saint-Louis de Peng Bai, professeur adjoint au département de génie énergétique, environnemental et chimique de la McKelvey School of Engineering, a développé une batterie à ions sodium stable qui est très efficace, sera moins coûteuse à fabriquer et est nettement plus petite qu’une batterie lithium-ion traditionnelle en raison de l’élimination d’une fonction autrefois nécessaire.

« Nous avons constaté que le minimum est le maximum », a déclaré Bai. « Aucune anode n’est la meilleure anode. »

La recherche a été publiée le 3 mai 2021 dans la revue Science avancée.

Une batterie lithium-ion traditionnelle se compose d’une cathode et d’une anode, qui stockent toutes deux des ions lithium; un séparateur pour maintenir les électrodes séparées de chaque côté; et un électrolyte – le liquide à travers lequel les ions se déplacent. Lorsque le lithium s’écoule de l’anode à la cathode, des électrons libres partent à travers le collecteur de courant vers le dispositif alimenté tandis que le lithium passe le séparateur à la cathode.

Pour charger, le processus est inversé et le lithium passe de la cathode, à travers le séparateur, à l’anode.







La croissance douce du sodium métal en action est le contrôle ultime de la qualité de l’électrolyte pour les batteries sans anode de Bai et Ma. Crédits: Peng Bai Lab

Le concept de remplacer le lithium par du sodium et de supprimer l’anode n’est pas nouveau.

« Nous avons utilisé de la vieille chimie », a déclaré Bai. « Mais le problème a été, avec cette chimie bien connue, personne n’a jamais montré que cette batterie sans anode pouvait avoir une durée de vie raisonnable. Ils tombent toujours en panne très rapidement ou ont une très faible capacité ou nécessitent un traitement spécial du collecteur de courant. »

Les batteries sans anode ont tendance à être des dendrites instables et en croissance – des excroissances en forme de doigts qui peuvent provoquer un court-circuit ou simplement une dégradation rapide d’une batterie. Ceci a été attribué classiquement à la réactivité des métaux alcalins impliqués, dans ce cas, le sodium.

Dans cette batterie nouvellement conçue, seule une fine couche de feuille de cuivre a été utilisée du côté anode comme collecteur de courant, c’est-à-dire que la batterie n’a pas de matériau d’anode actif. Au lieu de s’écouler vers une anode où ils se reposent jusqu’au moment de revenir à la cathode, dans la batterie sans anode, les ions sont transformés en métal. Tout d’abord, ils se plaquent sur une feuille de cuivre, puis ils se dissolvent lorsqu’il est temps de retourner à la cathode.

« Dans notre découverte, il n’y a pas de dendrites, pas de structures en forme de doigt », a déclaré Bingyuan Ma, premier auteur du journal et étudiant au doctorat dans le laboratoire de Bai. Le dépôt est lisse, avec un éclat métallique. « Ce type de mode de croissance n’a jamais été observé pour ce type de métal alcalin. »

«Observer» est la clé. Bai a développé une cellule capillaire transparente unique qui offre une nouvelle façon de voir les batteries. Traditionnellement, lorsqu’une batterie tombe en panne, afin de déterminer ce qui ne va pas, un chercheur peut l’ouvrir et y jeter un œil. Mais ce type d’observation après coup a une utilité limitée.

« Toutes les instabilités de la batterie s’accumulent pendant le processus de travail », a déclaré Bai. « Ce qui compte vraiment, c’est l’instabilité au cours du processus dynamique, et il n’y a pas de méthode pour caractériser cela. » En regardant la cellule capillaire sans anode de Ma, « Nous pourrions clairement voir que si vous n’avez pas un bon contrôle de la qualité de votre électrolyte, vous verrez diverses instabilités », y compris la formation de dendrites, a déclaré Bai.







La croissance épineuse et la bulle de pico-litre sont à l’origine des pannes précoces des anciennes batteries sans anode. Crédits: Peng Bai Lab

Essentiellement, cela dépend de la quantité d’eau contenue dans l’électrolyte.

Les métaux alcalins réagissent avec l’eau, l’équipe de recherche a donc réduit la teneur en eau. « Nous espérions juste voir une bonne performance », a déclaré Bai. En regardant la batterie en action, les chercheurs ont rapidement vu des dépôts lisses et brillants de sodium. C’est la douceur du matériau qui élimine les irrégularités morphologiques pouvant conduire à la croissance de dendrites.

« Nous sommes retournés pour vérifier les cellules capillaires et avons réalisé qu’il y avait un processus de séchage plus long de l’électrolyte », a déclaré Bai. Tout le monde parle de la teneur en eau des batteries, mais, dans les recherches précédentes, la quantité d’eau avait souvent été reléguée à une simple statistique qu’il fallait noter.

Bai et Ma ont réalisé que c’était, en fait, la clé.

« La teneur en eau doit être inférieure à 10 parties par million », a déclaré Bai. Avec cette prise de conscience, Ma a pu construire non seulement une cellule capillaire, mais une batterie fonctionnelle dont les performances sont similaires à celles d’une batterie lithium-ion standard, mais qui prend beaucoup moins de place en raison de l’absence d’anode.

« Vérifiez votre téléphone portable. Votre voiture électrique. Un quart du coût de ces articles provient de la batterie », a déclaré Bai. Les batteries au sodium utilisent un métal plus courant que les batteries au lithium; ils ont la même densité d’énergie que les batteries au lithium; et elles sont plus petites et moins chères que les batteries au lithium, grâce à l’élimination de l’anode.

« Nous avons prouvé que vous pouvez utiliser la configuration la plus simple pour activer la meilleure batterie », a déclaré Bai.


Une batterie au zinc sans anode qui pourrait un jour stocker de l’énergie renouvelable


Plus d’information:
Bingyuan Ma et al, la stabilité interfaciale dynamique confirmée par des expériences microscopiques d’opération optique permet des cellules complètes en métal Na sans anode à taux de rétention élevé, Science avancée (2021). DOI: 10.1002 / advs.202005006

Fourni par l’Université de Washington à Saint-Louis

Citation: L’équipe développe une batterie au sodium stable, efficace et sans anode (3 mai 2021) récupérée le 3 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-team-stable-effic-anode-free-sodium.html

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