I. Présentation des batteries sodium-ion
Les batteries sodium-ion se chargent et se déchargent grâce au mouvement des ions sodium entre les électrodes positive et négative, selon un principe de fonctionnement similaire à celui des batteries lithium-ion. Une batterie sodium-ion est principalement composée d'une électrode positive, d'une électrode négative et d'une électrode de charge.un électrolyte, unséparateur, et un collecteur de courant. Lors de la charge, le Na⁺ est extrait de l'électrode positive, traverse le séparateur et s'intègre à l'électrode négative pour se combiner aux électrons. Lors de la décharge, le Na⁺ est extrait de l'électrode négative, traverse le séparateur et s'intègre à l'électrode positive, tandis que les électrons sont transférés de l'électrode négative à l'électrode positive via un circuit externe. Enfin, une réaction redox se produit dans l'électrode positive pour restaurer l'état riche en sodium.
Schéma de charge et de décharge des batteries sodium-ion
II. Trois itinéraires techniques
Comparées aux batteries lithium-ion, la principale différence des batteries sodium-ion réside dans les matériaux de la cathode, dont les performances sont également un facteur clé pour la densité énergétique, la sécurité et la durée de vie de la batterie. Les ions sodium ont une masse et un rayon plus importants que les ions lithium, ce qui entraîne des taux de diffusion ionique plus faibles. Ceci se traduit par une capacité théorique et une cinétique de réaction légèrement inférieures, ce qui nécessite des avancées technologiques dans les matériaux de cathode pour résoudre ces problèmes. À l'heure actuelle, la voie technique pour les matériaux de cathode n'a pas encore été déterminée, mais des oxydes lamellaires sont utilisés., bleu de Prusse analogues, et les composés polyanioniques sonttrois itinéraires prometteurs qui devraient se démarquer.
jeII. Oxydes stratifiés
La formule générale des oxydes feuilletés est NaxMO2, où M désigne les éléments de métaux de transition, tels que le vanadium (V), le chrome (Cr), le manganèse (Mn), le fer (Fe), le cobalt (Co), le nickel (Ni), le cuivre (Cu), etc. Parmi eux, le manganèse (Mn) et le fer (Fe), qui sont abondants en ressources, sont les plus courants. Les oxydes de métaux de transition peuvent être classés en deux types : feuilletés et tunnel. Lorsque la teneur en sodium est faible (x<0,5), la structure tunnel est principalement présente. Lorsque la teneur en sodium est relativement élevée, elle est généralement dominée par une structure feuilletée, avec du Na+ situé entre les couches, formant une structure feuilletée dans laquelle les couches de MO2 et les couches de sodium sont disposées en alternance.
Iv. Analogues du bleu de Prusse
La formule générale des analogues du bleu de Prusse est NaxMA[MB(CN)6]·zH2O. MA et MB représentent des éléments de métaux de transition, principalement le fer (Fe), le cobalt (Co), le nickel (Ni), le manganèse (Mn), etc. Grâce à leur structure ouverte unique et à leur macroporosité tridimensionnelle, les composés du bleu de Prusse sont adaptés à la migration et au stockage des ions sodium. En termes d'avantages, les composés à base de ferbleu de Prusse Le bleu de Prusse à base de manganèse présente les avantages d'une matière première abondante, d'un faible coût, d'une capacité spécifique élevée, d'une performance élevée et d'une excellente stabilité électrochimique. En termes d'inconvénients, comme les méthodes de production actuelles adoptent principalement la méthode de coprécipitation, de nombreux défauts structuraux d'eau cristalline et de Fe(CN)6 sont souvent produits. L'eau cristalline a tendance à occuper les sites de stockage du sodium et les canaux de désintercalation des ions sodium dans le cristal, ce qui entraîne une diminution de la teneur en ions sodium du matériau et une réduction de la vitesse de migration des ions sodium. Les défauts structuraux et l'eau cristalline de Fe(CN)6 peuvent provoquer un effondrement structurel pendant le processus de charge et de décharge du matériau, affectant ainsi ses performances cycliques.
Les procédés de production de composés bleus de Prusse comprennent principalement la coprécipitation et la synthèse hydrothermale. La coprécipitation est la méthode la plus courante, offrant les avantages d'une préparation simple, de l'absence de traitement à haute température et d'une obtention aisée de produits en phase pure. Cependant, à l'heure actuelle, la coprécipitation présente encore deux inconvénients : la longueur de la préparation et le faible rendement. La synthèse hydrothermale présente de nombreuses similitudes avec la coprécipitation. Elle présente les avantages d'un temps de réaction court et d'une distribution uniforme des particules. Cependant, elle présente actuellement trois inconvénients. Premièrement, la réaction se déroule en système fermé et ne peut être observée directement. Deuxièmement, les étapes à haute température et haute pression nécessitent des équipements de production exigeants. Troisièmement, le procédé est lourd et inadapté à la production industrielle.
V. Composés polyanioniques
La formule générale des composés polyanioniques est NaxMy[(XOm)n-]z, où M est un ion métallique à valence variable et X représente des éléments tels que P, S et V. Ils présentent les avantages d'une bonne stabilité, de bonnes performances en cyclage et d'une bonne sécurité, mais présentent des problèmes de faible capacité spécifique et de mauvaise conductivité. Selon leurs différentes structures, ils peuvent être classés en phosphates à structure olivine, composés NASCICON (conducteurs d'ions rapides Na+) et composés phosphatés.
La méthode de préparation du NaFePO4 à structure olivine utilisé comme matériau de cathode pour les batteries sodium-ion est similaire à celle du phosphate de fer et de lithium. Sa capacité théorique est de 154 mAh/g et sa tension de fonctionnement de 2,9 V. Cependant, sa conductivité électrique est relativement faible et il ne possède que des canaux de diffusion Na+ unidimensionnels, ce qui affecte ses performances réelles. Actuellement, la conductivité électrique est améliorée par revêtement de carbone ou substitution ionique. Les composés à structure nascicon sont des conducteurs ioniques rapides avec une capacité spécifique théorique d'environ 120 mAh/g et une tension de fonctionnement d'environ 3,3 V. Ils présentent une structure tridimensionnelle, une vitesse de diffusion ionique élevée et une bonne stabilité cinétique et cyclique. Cependant, l'introduction du V pentavalent est souvent toxique et représente une menace importante pour la santé humaine, ce qui limite dans une certaine mesure son utilisation à grande échelle.
Structures cristallines de divers matériaux cathodiques polyanioniques
