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Les batteries Na-ion font l’objet de nombreuses recherches récentes, certaines d’entre elles sont actuellement en phase de commercialisation.
Cet ouvrage présente à la fois les aspects fondamentaux et appliqués de ces batteries. Il décrit la recherche récente réalisée sur de nouveaux matériaux d’électrode, notamment sur les deux principales familles de matériaux d’électrode positive, les oxydes lamellaires de type NaxMO2 et les composés de type polyanionique, ainsi que sur des matériaux d’électrode négative comme les carbones durs et les matériaux non carbonés.
Il traite également des recherches récentes offrant une alternative possible aux électrolytes classiques et étudie les connaissances acquises sur la formation et la nature de la couche de passivation formée à l’interface avec l’électrolyte (SEI) et sur sa stabilisation lors du cyclage des batteries Na-ion. Enfin, il présente les développements réalisés par deux industriels, Faradion (Grande- Bretagne) et Natron Energy (États-Unis), qui ont misé sur des batteries Na-ion présentant des chimies différentes.
1. NaMO2 lamellaires à l’électrode positive
2. Des composés de type polyanioniques à l’électrode positive de batteries Na-ion
3. Le carbone dur pour les batteries Na-ion : de la synthèse aux performances et mécanismes de stockage
4. Électrodes négatives non carbonées pour batteries au sodium
5. Électrolytes pour batteries au sodium
6. L’interphase solide à l’interface électrode-électrolyte dans les batteries au Na ?
7. Batteries contenant des matériaux d’électrodes analogues au bleu de Prusse
8. Conception, performance et commercialisation de la technologie des batteries non aqueuses Na-ion de Faradion
Laure Monconduit
Laure Monconduit est docteure et directrice de recherche à l’ICGM, à l’Université de Montpellier.
Laurence Croguennec
Laurence Croguennec est docteure et directrice de recherche à l’ICMCB à l’Université de Bordeaux.
Chapitre 1
NaMO2 lamellaires à l’électrode positive (pages : 9-59)
Ce chapitre présente les développements réalisés sur les oxydes lamellaires de métaux de transition 3d utilisés à l’électrode positive de batteries Na-ion, en s’appuyant principalement sur les recherches menées par ses auteurs depuis 2003. Les performances électrochimiques, les transitions de phase mises en jeu au cours des cycles de charge et de décharge, la chimie de surface aux interfaces électrode-électrolyte, les facteurs clés influençant les performances des batteries et les perspectives d'avenir y sont discutées.
Chapitre 2
Des composés de type polyanioniques à l’électrode positive de batteries Na-ion (pages : 61-122)
Ce chapitre présente le potentiel des matériaux polyanoniques Na3V2(PO4)3 et Na3V2(PO4)2F3, de structures différentes, à l'électrode positive de batteries Na-ion. Sont notamment discutés les voies de synthèse les plus adaptées pour les obtenir, le contrôle de la relation composition - structure – propriétés, mais aussi le défi que représente leur stabilisation lors de l’extraction du troisième sodium de la structure, celle-ci se faisant aujourd’hui au détriment des performances électrochimiques.
Chapitre 3
Le carbone dur pour les batteries Na-ion : de la synthèse aux performances et mécanismes de stockage (pages : 123-174)
Ce chapitre présente les carbones durs, leur synthèse, leur propriétés physico-chimiques comme leur structure, texture, chimie de surface. Le focus est porté sur les carbones durs produits à partir de précurseurs abondants, biosourcés et de synthèse simple. L’impact de ces propriétés sur les performances comme électrode négative pour NIB est évalué. Les mécanismes de stockage du sodium, très débattus dans la littérature sont également discutés.
Chapitre 4
Électrodes négatives non carbonées pour batteries au sodium (pages : 175-236)
La chimie et la conception des matériaux non carbonés d'électrode négative sont décrites dans ce chapitre. Ils se répartissent en trois groupes selon le mécanisme de stockage du sodium : les matériaux d’insertion, les matériaux d’alliage et les matériaux de conversion. Ces mécanismes électrochimiques sont ici rappelés dans le cas du sodium. Chacun de ces groupes présente des avantages et inconvénients pour l’application des batteries qui sont déclinés dans ce chapitre.
Chapitre 5
Électrolytes pour batteries au sodium (pages : 237-273)
L'électrolyte est une partie cruciale des batteries Na-ion. Après une revue des principaux électrolytes liquides et solides utilisés dans les NIB, les récentes avancées concernant les électrolytes à base de liquide ionique sont décrites. Quelques exemples sont évoqués, ainsi que leurs performances en NIB. Les challenges pour permettre la réalisation des batteries Na-ion basées sur ces nouveaux électrolytes sont discutés.
Chapitre 6
L’interphase solide à l’interface électrode-électrolyte dans les batteries au Na ? (pages : 275-296)
Les performances en cyclage des batteries Na-ion sont fortement associées à la qualité de l'interface électrode/électrolyte, où se produit la dégradation de l'électrolyte. Les récents avancements dans la connaissance de cette interface, de la composition de la couche de SEI, et des mécanismes de dégradation de l’électrolyte en solvant aprotiques sont décrits dans ce chapitre et comparé aux équivalents dans les batteries Li-ion.
Chapitre 7
Batteries contenant des matériaux d’électrodes analogues au bleu de Prusse (pages : 297-347)
Ce chapitre donne une introduction pratique à l'utilisation du bleu de Prusse et de ses analogues aux électrodes de batteries Na-ion. Il décrit les propriétés physiques et électrochimiques de ces matériaux, à travers quelques exemples de leur utilisation notamment dans la technologie développée par Natron-Energy.
Chapitre 8
Conception, performance et commercialisation de la technologie des batteries non aqueuses Na-ion de Faradion (pages : 349-382)
Ce chapitre décrit les travaux menés par Faradion pour aboutir à la production de plusieurs prototypes de démonstration basés sur l'utilisation de cellules Na-ion de grand format de type pouch-cell, et notamment la production de quantités importantes de matériaux actifs, d'électrolytes et d'électrodes optimisés. Ces cellules utilisent des oxydes lamellaires sodés à l’électrode positive.
