Les batteries sodium-ion avancent à grands pas, prêtes à bousculer l’hégémonie du lithium.
Ironie du sort, alors que la France a délaissé ses gisements de fer autrefois florissants, ce métal revient sur le devant de la scène grâce à une innovation électrochimique de rupture. Au cœur de cette révolution, les matériaux de cathode à base de fer se positionnent comme une alternative prometteuse, alliant coût réduit, abondance et performance accrue.
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Une alternative crédible aux batteries lithium-ion
Le marché des batteries est dominé par le lithium-ion, mais les limites d’approvisionnement en lithium et cobalt poussent la recherche vers des solutions plus abordables et écologiquement viables. Les batteries sodium-ion (SIBs) se présentent comme une alternative attrayante grâce à l’abondance du sodium, à son faible coût et à sa compatibilité avec des infrastructures de production existantes. Parmi les différents matériaux testés pour les cathodes des SIBs, les composés à base de fer, comme les oxydes stratifiés et les matériaux polyanioniques, émergent comme des candidats de choix.
Les oxydes stratifiés à base de fer gagnent en maturité
Les oxydes stratifiés se déclinent en deux principales catégories : O3 et P2. L’oxyde O3 à base de sodium et de fer (NaFeO2) affiche un potentiel de 3,3 V et une capacité d’environ 100 mAh/g, mais sa structure évolue au fil des cycles, ce qui limite sa stabilité. À l’inverse, les matériaux P2, intégrant du manganèse (Na-Fe-Mn-O), offrent une meilleure stabilité structurelle et conservent une capacité comparable, autour de 100-120 mAh/g, avec une durée de vie améliorée sur plusieurs centaines de cycles.
Les matériaux polyanioniques, un atout pour la stabilité et la sécurité
Les composés polyanioniques, comme les phosphates, fluorophosphates et pyrophosphates à base de fer, gagnent du terrain grâce à leur excellente stabilité thermique et leur longue durée de vie, des atouts essentiels pour les batteries stationnaires et mobiles. Un fluorophosphate de fer, par exemple, affiche un potentiel de 3,6 V et une capacité théorique de 135 mAh/g. Grâce à sa structure cristalline optimisée pour une diffusion rapide des ions sodium, il offre de bonnes performances en lors des cycles de charge et décharge, notamment lorsqu’il est associé à un revêtement en carbone pour améliorer sa conductivité. D’autres matériaux à base de fer, comme les pyrophosphates, atteignent des densités énergétiques élevées tout en maintenant une stabilité exemplaire, renforçant ainsi leur intérêt pour les futures générations de batteries sodium-ion.
Le rôle crucial des analogues du bleu de Prusse
Les composés de type bleu de Prusse (Prussian Blue Analogues, PBA) se distinguent par leur structure ouverte, qui facilite l’insertion et l’extraction des ions sodium. Ces matériaux, comme les cathodes Na-Fe-CN, affichent une capacité pouvant atteindre 160 mAh/g et un potentiel d’environ 3 V. Cependant, leur stabilité à long terme peut être affectée par la présence de lacunes structurales et de molécules d’eau résiduelles, réduisant ainsi leur efficacité après de nombreux cycles de charge et décharge. Des avancées récentes, comme l’optimisation des procédés de synthèse et l’ajout de revêtements protecteurs, améliorent leur durabilité et ouvrent la voie à une utilisation commerciale viable.
Vers une commercialisation des batteries sodium-ion à base de fer
Si les performances des batteries sodium-ion restent inférieures à celles des meilleures batteries lithium-ion en termes de densité énergétique, les avancées sur les cathodes à base de fer permettent d’envisager leur adoption dans des applications spécifiques. Pour le stockage stationnaire d’énergie ou les véhicules électriques à faible coût, ces matériaux offrent un compromis intéressant entre performance, sécurité et accessibilité.
Le défi reste de surmonter les obstacles liés aux performances à haute densité de courant et à la stabilité cyclique, notamment en combinant des approches de dopage, d’ingénierie des nanomatériaux et d’optimisation des électrolytes. À l’aube d’une transition énergétique où l’indépendance vis-à-vis du lithium devient un enjeu stratégique, les cathodes à base de fer pourraient bien jouer un rôle clé dans l’électrification de demain.
