Du désordre pour une batterie idéale

Publié par Adrien le 09/10/2020 à 09:00
Source: Université de Genève
La fabrication de piles plus sûres, plus puissantes et utilisant des ressources géopolitiquement stables, passe par des électrolytes solides et la substitution du lithium par le sodium. Une stratégie chimique est offerte à la communauté.

Les batteries au lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) qui alimentent nos appareils électroniques et nos véhicules électriques souffrent de plusieurs défauts. L'électrolyte -milieu permettant le mouvement des électrons et des charges positives entre les électrodes- est un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) inflammable. De plus, le lithium qui les compose est une ressource limitée, au coeur d'enjeux géopolitiques majeurs. Les spécialistes en cristallographie de l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en Suisse. Fondée en 1559 par Jean Calvin, sous le nom d'Académie de Genève, comme un séminaire théologique et...) (UNIGE) ont développé un électrolyte solide non inflammable, qui fonctionne à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) ambiante et permet de transporter le sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état...) -présent partout sur terre-, à la place du lithium. Une combinaison (Une combinaison peut être :) gagnante qui permet, en outre, de fabriquer des piles plus puissantes. Des batteries "idéales", dont les propriétés reposent sur la structure cristalline de l'électrolyte, un hydroborate composé de Bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) et d'Hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.). L'équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) publie dans le journal Cell Reports Physical Science une véritable boîte à outils contenant la stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) de fabrication d'électrolytes solides destinée aux développeurs de batterie.


La symétrie du désordre. Surface tridimensionnelle de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) des ions sodium dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...) d'hydroborate. Ce nouveau matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) forme une structure désordonnée, et pourtant à haute symétrie, permettant une mobilité du sodium comparable à celle du lithium dans les piles présentes sur le marché. © UNIGE/Brighi

Les enjeux du stockage d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) sont colossaux pour les démarches de durabilité. En effet, le développement de véhicules électriques n'émettant pas de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas...) repose sur l'existence de batteries puissantes et sûres, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme le développement des énergies renouvelables, solaire ou éolienne (Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou produire de l'électricité (dans le cas d'un...), dépend des capacités de stockage de l'énergie. Les batteries au lithium sont la réponse actuelle à ces défis. Malheureusement, le lithium nécessite des électrolytes liquides, hautement explosifs en cas de fuite. "De plus, le lithium ne se trouve pas partout sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la...) et il crée des problématiques géopolitiques analogues à celles qui entourent le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de...). Un bon candidat pour le remplacer est le sodium, car il a des propriétés chimiques et physiques proches et est présent partout", indique Fabrizio Murgia, postdoctorant à la Faculté des sciences de l'UNIGE et co-auteur de l'étude.

Température trop élevée

En effet, les deux éléments sont proches dans le tableau périodique des éléments (Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, classification périodique des éléments (CPE) ou simplement tableau...). "Le problème est que le sodium est plus lourd que son cousin le lithium. Il a donc des difficultés à se balader dans l'électrolyte des piles", image Matteo Brighi, postdoctorant à l'UNIGE et premier auteur de l'étude. Des électrolytes capables de transporter des cations comme le sodium doivent donc être développés. Dans les années 2013 à 2014, des groupes de recherches japonais et américains ont identifié les hydroborates, comme étant de bons conducteurs de sodium à plus 120 °C. Une température à priori excessive pour un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) courant des batteries, mais une aubaine pour le laboratoire genevois.

Fort d'une expertise de plusieurs décennies sur les hydroborates pour des applications comme le stockage de l'hydrogène, les cristallographes genevois se sont attelés à travailler sur l'abaissement de la température de conduction. "Nous avons obtenu de très bons résultats avec d'excellentes propriétés compatibles avec les piles. Nous avons réussi à utiliser les hydroborates comme électrolyte de la temperature ambiante à 250 degrés Celsius, sans problème de sécurité. De plus, ils résistent à de plus hautes différences de potentiel et les piles peuvent donc stocker plus d'énergie", précise Radovan Cerny, Professeur au laboratoire de cristallographie de l'UNIGE et responsable du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...).

Le désordre comme solution

La cristallographie est une science située entre minéralogie, physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) qui permet d'analyser et comprendre les structures des substances chimiques et prédire leurs propriétés. Grâce à elle, le design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production industrielle....) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) est rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des...) possible. C'est cette approche cristallographique qui a permis de mettre en place des stratégies de fabrications publiées par le trio de chercheurs genevois. "Notre publication propose des exemples de structure pour pouvoir créer et perturber les hydroborates", précise Fabrizio Murgia. La structure des hydroborates laisse apparaitre des sphères de bores et d'hydrogène chargées négativement. Ces espaces sphériques laissent suffisamment de place pour le passage des ions de sodiums de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) positives. "Néanmoins, comme les charges négatives et positives s'attirent, il a fallu amener du désordre dans la structure pour perturber les hydroborates et permettre le mouvement du sodium", complète Matteo Brighi.

Cette publication est une boite à outils destinée aux développeurs de piles. De nouvelle génération de piles, plus stables et plus puissantes, devraient en découler. En Suisse, une véritable expertise existe grâce à une étroite collaboration entre l'UNIGE et l'EMPA à Dübendorf, qui travaillent actuellement à la création d'une batterie solide au sodium à 4V, soit plus puissante que celle de 3V publiée déjà en 2019. Un véritable produit "Made in Switzerland".
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