30 janvier 2024
(Projecteur Nanowerk) La transition vers l’énergie éolienne et solaire renouvelable se heurte à un obstacle majeur en raison du manque d’options abordables de stockage d’énergie à grande échelle. Sans batteries rentables au niveau du réseau, les problèmes de fluctuation et d’intermittence rendent difficile l’adoption généralisée de la production durable. Après des progrès prometteurs dans la réduction des dépenses de production de composants tels que les panneaux solaires et les éoliennes, la technologie de stockage est apparue comme le dernier obstacle à franchir. Malgré l'intense recherche et développement menée par les principaux fabricants de batteries, les produits chimiques lithium-ion les plus répandus ont du mal à atteindre la combinaison de prix bas, de sécurité, de stabilité et de durée de vie élevée requise pour cette application. Le potentiel émergent des batteries sodium-ion a redynamisé les efforts, mais leur succès dépend du développement d’électrodes adaptées sans excès de matériaux rares ou toxiques. Dans un article publié dans Matériaux fonctionnels avancés (« Matériaux durables dérivés du thé »), une équipe dirigée par le Dr Xingcai Zhang de l'Université Harvard détaille son développement d'une anode de batterie sodium-ion haute performance utilisant un matériau innovant dérivé de déchets de feuilles de thé. S'appuyant sur les progrès récents qui ont fait des batteries sodium-ion une alternative viable et peu coûteuse à la technologie lithium-ion répandue, l'anode issue de la biomasse des chercheurs démontre des qualités qui pourraient permettre la prochaine génération de stockage d'énergie abordable et durable au niveau du réseau. Les tentatives précédentes de batteries sodium-ion ont atteint un faible coût, mais ont trop souffert dans des domaines de performances tels que la capacité de charge, la longévité et les taux de charge pour supplanter la domination du lithium-ion. Cela provient en grande partie de défis chimiques fondamentaux, car la plus grande taille des ions sodium limite les mouvements rapides au sein des composants de la batterie. L’avancée centrale de l’anode en feuilles de thé du Dr Zhang réside dans la manière dont elle équilibre ces limitations inhérentes. Grâce à un processus de pyrolyse simple en une seule étape, les chercheurs convertissent les tiges de feuilles de thé brutes en un matériau de « carbone dur » optimisé pour le stockage des ions sodium. Comparé aux anodes à base de carbone existantes, le carbone dur dérivé du thé de l'équipe, baptisé TS-1400-HCl, offre des mesures considérablement améliorées à tous les niveaux. Il offre une capacité initiale 70 % plus élevée, une efficacité 91 % plus élevée lors du tout premier cycle de charge/décharge et une longévité 7 à 9 fois supérieure sur 500 cycles. Le TS-1400-HCl atteint cette performance révolutionnaire en utilisant uniquement des composants de base peu coûteux via un processus industriel évolutif.
Image HRTEM du TS-1400-HCl. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) Les chercheurs attribuent les capacités du TS-1400-HCl aux améliorations structurelles permises par les tiges des feuilles de thé précurseurs et au traitement acide stratégique. Sa structure de biomasse naturellement poreuse facilite la pénétration de l'électrolyte tout en conservant de nombreux défauts et vides pour l'adsorption des ions sodium. Le lavage à l'acide élimine les impuretés qui ont entraîné une perte de capacité sous forme brute. Cette approche à deux volets aboutit à une anode en carbone optimisée conférant un espacement élargi entre les couches de type graphite, des sites d'adsorption abondants à travers les micro et mésopores et une excellente robustesse structurelle lors de charges répétées. Grâce à une analyse spectroscopique, le groupe du Dr Zhang a confirmé que le stockage des ions sodium du TS-1400-HCl se produit via un processus d'adsorption de surface remplissant les pores et les défauts, suivi d'une intercalation entre des feuilles graphitiques plus profondes dans l'électrode en vrac. Ce double mécanisme, tirant parti des atouts de la texture de carbone dur de la biomasse sur mesure, exploite pleinement le matériau pour garantir une capacité et une efficacité électrique élevées. Les tests de faisabilité en conditions réelles d'une pile bouton sodium-ion complète ont renforcé la candidature du TS-1400-HCl en tant qu'électrode de production de masse. Sans même présodier l'anode pour l'amorcer pour plus de stabilité, la cellule pleine de feuille de thé du Dr Zhang avec un Na3V2(PO4)3 La cathode atteint toujours une longévité exceptionnelle de plus de 1000 1400 cycles et une densité énergétique compétitive par rapport aux batteries lithium-ion commerciales. De telles démonstrations de préparation sans prétraitement spécialisé soulignent la viabilité et la rentabilité du TS-5-HCl. Les chercheurs estiment que le traitement acide et le recuit peu coûteux utilisés pour produire leurs anodes en carbone dur permettraient d’obtenir des prix compétitifs autour de 7 à 1 dollars par kg à grande échelle. Combinée à l'abondance des ressources en feuilles de thé brutes (la production annuelle de la Chine à elle seule dépasse 1400 milliard de kg), le groupe du Dr Zhang estime que son approche de la biomasse présente un fort potentiel de durabilité réelle et d'impact environnemental positif en tant que matériau de batterie courant et abordable. Grâce à la poursuite des recherches sur les matériaux cathodiques complémentaires axées sur l'optimisation des performances plutôt que sur la réduction des coûts, les batteries sodium-ion intégrant des électrodes telles que le TS-XNUMX-HCl pourraient bientôt permettre l'adoption massive de systèmes de stockage et de distribution d'énergie propre à grande échelle. En transformant les déchets en watts, l’avènement de batteries réseau bon marché, durables et respectueuses de l’environnement se rapproche encore davantage.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
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