L’ingrédient central des batteries Sodium-ion est le Sodium, abondant et peu cher (présent par exemple dans le sel de cuisine). Cela en fait une alternative séduisante aux batteries Lithium-ion, qui requièrent des matériaux stratégiques (Lithium, Cobalt, Nickel). Mais les résultats des sodium-ion en termes de densité d’énergie sont encore trop faibles pour concurrencer les Lithium-ion.
L’un des facteurs limitant est le carbone graphite (une forme de carbone à structure feuilletée), actuellement utilisé en tant qu’anode dans les batteries Lithium-ion. Pour que la batterie puisse se charger ou se décharger, les ions doivent s’intercaler (être stockés) entre ces feuillets de façon réversible. Problème : les ions Sodium sont plus gros que les ions Lithium, ce qui freine leur bonne insertion entre les feuillets. De plus, le comportement des ions Sodium, lorsqu'ils s’intercalent dans le graphite, diffère de celui des ions Lithium, ce qui participe également à diminuer le rendement des batteries Sodium-ion.
Une équipe de chercheurs suédois pourrait avoir résolu le problème, en utilisant un nouveau type d’anode : une anode de type graphite toujours, formée par un empilement de feuilles de graphène appelé « Janus graphène » et pourvues d’une nanostructure artificielle spécifique. Leur étude a été publiée dans la revue scientifique Science Advances fin mai dernier.
La clef : une anode dotée de fonctions chimiques asymétriques. Sur le côté supérieur de chaque feuille de graphène, une molécule permet notamment d’élargir l’espace pour accueillir plus facilement l’ion sodium, plutôt gros. Entre deux couches, chaque molécule est connectée avec celle du dessous (via une liaison covalente) et interagit avec celle du dessus grâce à des interactions électrostatiques (voir image ci-dessous).
Grâce à ce nouveau matériau, les chercheurs ont observé que les ions sodium s’inséraient de manière réversible dans l’anode en donnant une capacité de 332 milliampères-heure/gramme (mAh.g-1), soit pratiquement dix fois plus que les 35 mAh.g-1 obtenus avec des ions sodium et une anode classique. La capacité obtenue par les chercheurs se rapproche ainsi des batteries lithium-ion, où les ions lithium s'insérant entre les feuillets qui composent l’anode donnent une capacité de l’ordre de 372 mAh.g-1.
Si elle était confirmée en-dehors du laboratoire, cette découverte pourrait permettre aux batteries sodium-ion de rendre l'industrie des batteries moins dépendante des matériaux rares, dont l’extraction est coûteuse à la fois financièrement, mais aussi en termes d’impact environnemental et de droits humains.
