Des chercheurs singapouriens prolongent la durée de vie des batteries solides, l’automobile reste encore loin

La solution s’attaque à deux faiblesses anciennes des batteries au sodium

Le sodium n’a rien d’un nouveau venu dans la chimie des batteries, mais les versions à électrolyte solide butent depuis longtemps sur deux problèmes récurrents. Les ions sodium se déplacent trop lentement dans le polymère, tandis que l’anode en sodium métallique peut former des dendrites pendant la charge. Ces structures en forme d’aiguilles peuvent percer la cellule et provoquer un court-circuit.

Une équipe du College of Design and Engineering de la National University of Singapore a publié ses travaux dans Advanced Functional Materials. Les chercheurs ont ajouté du nitrure de carbone graphitique, ou GCN, à un électrolyte à base d’oxyde de polyéthylène et d’un sel de sodium. Ils obtiennent ce matériau en chauffant de l’urée à l’air libre jusqu’à 550 °C, ce qui forme des feuillets d’environ 2 nm d’épaisseur.

Dans l’électrolyte, le GCN remplit deux fonctions utiles. D’abord, il fragmente les zones cristallines rigides du polymère et crée davantage de régions amorphes, où les ions sodium circulent plus librement. Ensuite, des sites de surface riches en azote aident à séparer les ions sodium des contre-ions du sel. Le nombre de transport des ions sodium passe ainsi de 0,19 à 0,51. À 55 °C, la conductivité ionique a plus que doublé.

Freiner les dendrites est l’enjeu central

Une anode en sodium métallique offre une densité d’énergie théorique élevée, mais le métal se dépose de manière irrégulière pendant la charge. C’est là que les dendrites commencent à pousser, menaçant la cellule de l’intérieur.

L’électrolyte composite avec GCN s’est montré trois fois plus résistant que le polymère d’origine. Plus important encore, il a favorisé la formation d’une couche inorganique protectrice à base de sodium à la surface de l’anode, ce qui guide un dépôt métallique plus uniforme. Lors d’un essai comparatif, l’électrolyte polymère inchangé a subi un court-circuit après 250 heures à une densité de courant de 0,1 mA par cm². L’électrolyte avec GCN a fonctionné 1000 heures à la même charge, et plus de 2000 heures à 0,2 mA par cm².

À densité de courant identique, l’essai montre donc une durée de vie environ quatre fois supérieure. Sous une sollicitation plus sévère, il dépasse 2000 heures. C’est essentiel, car la résistance aux dendrites en dit davantage sur la sécurité pratique d’une batterie solide à métal que n’importe quel chiffre de puissance isolé.

La cellule complète affiche une bonne tenue au cyclage

Les chercheurs ont aussi assemblé une cellule complète à électrolyte solide, avec une cathode en phosphate de vanadium-sodium dopé au zinc et revêtue de carbone, ainsi qu’une anode en sodium métallique. À un régime de charge et de décharge de 0,5C, la cellule conserve 95 % de sa capacité après 500 cycles, avec une efficacité coulombique d’environ 99,97 %. En clair, 1C correspond à une recharge en environ une heure, tandis que 2C revient à une demi-heure environ.

Pour illustrer la sécurité mécanique, l’équipe a également fabriqué une cellule pouch à couche unique capable d’alimenter une LED lorsqu’elle était pliée, dépliée puis coupée. Cela ne prouve pas qu’elle soit prête pour un pack de voiture électrique, mais cela montre pourquoi les électrolytes solides offrent un avantage de sécurité face aux cellules à électrolyte liquide.

Ce n’est pas encore une rivale de CATL pour l’automobile

Pour l’industrie automobile, ce résultat doit être comparé à ce qui approche déjà de la production, pas à un idéal de laboratoire. La batterie sodium-ion Naxtra de CATL se dirige vers une utilisation en série avec Changan, et CATL annonce une densité d’énergie cellulaire allant jusqu’à 175 Wh/kg. Dans une architecture cell-to-pack, cela pourrait permettre plus de 400 km d’autonomie, avec un objectif futur de 500 à 600 km. Il ne s’agit toutefois pas d’une batterie sodium métal à électrolyte solide.

Les travaux singapouriens jouent une autre partie. Leur force n’est pas l’autonomie maximale, du moins pas encore. Elle réside dans la sécurité, les matières premières moins coûteuses et la possibilité de réduire la dépendance au lithium. La principale limite reste la température de fonctionnement. Le meilleur résultat a été obtenu à 55 °C, tandis que le prochain objectif vise un fonctionnement stable à 45 °C. Une batterie de voiture électrique européenne doit travailler dans une plage climatique bien plus large, pas seulement dans un laboratoire chauffé.

L’Europe pourrait d’abord en ressentir l’effet dans le stockage, pas dans les VE de performance

En Europe, le besoin le plus urgent en batteries bon marché, sûres et moins exposées aux risques sur les matières premières concerne le stockage réseau et les parcs solaires. Dans ces usages, l’énergie par kilogramme compte moins que le prix, la sécurité incendie, la durée de vie en cycles et le coût de maintenance. C’est dans ce créneau qu’une batterie sodium à électrolyte solide pourrait commencer à mettre la pression sur les batteries LFP.

Dans la voiture électrique, la chimie sodium devrait apparaître d’abord dans des citadines abordables, des véhicules utilitaires et des modèles destinés aux climats froids, où le prix et la tolérance thermique peuvent compenser une densité d’énergie plus faible. Les VE premium et les modèles à grande autonomie resteront, dans les prochaines années, le terrain des chimies lithium à haute densité énergétique.

Instantané technique

Électrolyte : un électrolyte polymère solide à base d’oxyde de polyéthylène et de sel de sodium, avec ajout de feuillets de GCN de 2 nm.

Transport ionique : la conductivité ionique a plus que doublé à 55 °C, tandis que le nombre de transport des ions sodium est passé de 0,19 à 0,51.

Résistance aux dendrites : l’électrolyte composite a fonctionné 1000 heures à 0,1 mA par cm² et plus de 2000 heures à 0,2 mA par cm².

Cellule complète : 95 % de capacité conservée après 500 cycles à 0,5C, avec une efficacité coulombique d’environ 99,97 %.

Principale limite : la technologie doit encore abaisser ses températures de fonctionnement et passer à des prototypes de plus grand format.

La percée est réelle, mais l’écart l’est tout autant entre une cellule de laboratoire ingénieuse et un pack capable d’encaisser des années de recharge, de gel, de chaleur et de conducteurs impatients.