Avec le développement rapide des technologies industrielles, les réserves d'énergies non renouvelables, représentées par les combustibles fossiles, ont fortement diminué ces dernières années. Il est urgent de développer une technologie de stockage électrochimique de l'énergie, écologique et économique, afin de s'adapter à l'essor rapide des énergies renouvelables et d'améliorer leur utilisation. Les batteries lithium-ion (LIB) sont commercialisées avec succès et utilisées pour le stockage d'énergie à grande échelle grâce à leur excellente densité énergétique et leur longue durée de vie. Cependant, la répartition inégale des ressources en lithium à l'échelle mondiale et leur prix élevé ont incité à se tourner progressivement vers d'autres batteries à ions métalliques, plus économiques, telles que les batteries sodium-ion (SIB), afin de réduire la dépendance des technologies de stockage d'énergie au lithium. Actuellement, de nombreux chercheurs concentrent leurs efforts sur le développement de SIB hautes performances.

Lors des travaux de développement en laboratoire, l'assemblage et les tests des piles boutons sont indispensables. Dans les tests des piles boutons symétriques et des demi-piles, l'électrode négative est un disque de sodium métallique. Les disques de sodium peuvent généralement être obtenus de deux manières :

1. Ils peuvent être roulés et découpés à partir d'une petite quantité de blocs de sodium métallique ; 2. Ils peuvent être achetés directement sous forme de disques de sodium composite finis dans le commerce.

I. Étapes d'utilisation des rouleaux à la main Feuilles de sodium métallique

Matériaux requis : blocs de sodium conservés dans du kérosène, papier sans poussière (ou tissu sans poussière), sac de fermeture en plastique, couteau en plastique, moule cylindrique central, planche à découper en plastique, rouleau en plastique.

Figure 1. Étapes de préparation des feuilles de sodium roulées à la main

1. Manipulation des blocs de sodium : Dans une boîte à gants remplie d’argon et présentant une teneur en eau et en oxygène inférieure à 0,1 ppm, sortir les blocs de sodium conservés dans du kérosène. Essuyer la surface des blocs de sodium avec du papier non pelucheux (ou un chiffon non pelucheux), puis gratter la couche d’oxyde à l’aide d’un couteau en plastique afin de révéler le sodium métallique brillant.

2. Emballage : Placer les blocs de sodium traités dans un sac en plastique scellé afin d'éviter toute contamination des blocs de sodium due au contact direct avec des outils et autres objets.

3. Roulage : Utilisez des rouleaux en plastique pour rouler les blocs de sodium dans différentes directions afin de former de grandes feuilles de sodium (l'épaisseur peut être ajustée en modifiant la force).

4. Compression : Utiliser le moule cylindrique central pour découper des comprimés de sodium de différentes spécifications sous forme de cercles.

5. Retirez les comprimés de sodium : ouvrez le sachet plastique, les comprimés de sodium prédécoupés se détacheront automatiquement. Placez le sodium restant dans le flacon de recyclage.

Il convient de noter que le papier ou le tissu exempt de poussière doit être préalablement séché sous vide afin de réduire son humidité. La préparation doit être effectuée dans une boîte à gants remplie d'argon pour éviter toute réaction du sodium métallique avec l'air. Par ailleurs, les opérateurs doivent porter des gants de protection supplémentaires par-dessus leurs gants en caoutchouc à l'intérieur de la boîte à gants, par mesure de sécurité.

II. Étapes d'utilisation du composé commercial Chips de sodium :

Figure 2. Étapes de préparation des comprimés composites de sodium commerciaux avant utilisation

1. De la main gauche, tenez la pince plate et élargie pour saisir la pièce ronde. De la main droite, utilisez la pince pointue en acier inoxydable pour retirer le film protecteur bleu. Il est préférable de ne pas utiliser de pince en caoutchouc pour retirer ce film.

2. Utilisez la même méthode pour retirer le film transparent de l'autre côté.

III. Comparaison entre les comprimés de sodium commerciaux et les comprimés de sodium roulés à la main

Contraste de pureté

1. Pour la préparation de feuilles de sodium laminées à la main, la procédure habituelle consiste d'abord à retirer les gros blocs de sodium du kérosène et à essuyer leur surface. Cependant, cette étape risque de ne pas éliminer complètement le kérosène, ce qui entraîne une faible pureté et une forte teneur en impuretés des feuilles de sodium produites manuellement. En revanche, les feuilles de sodium commerciales présentent généralement une pureté supérieure, souvent supérieure à 99,7 %, et contiennent moins d'impuretés, ce qui réduit l'apparition de réactions secondaires dues aux impuretés et prolonge la durée de vie de la batterie.

2. Comparaison des durées de conservation

Les feuilles de sodium bobinées à la main sont généralement fabriquées et utilisées immédiatement. En l'absence de film protecteur, après découpe et lors de l'assemblage de la batterie, leur surface est exposée à l'air ambiant de la boîte à gants pendant une longue période, notamment lors du nettoyage des déchets, ce qui entraîne une oxydation importante. Les feuilles de sodium composites commerciales, quant à elles, sont utilisées à la demande et leur film protecteur peut être retiré en 10 secondes, ce qui double l'efficacité de l'assemblage de la batterie. De plus, ces feuilles d'électrodes en sodium composites sont composées de sodium métallique de haute pureté associé à une feuille d'aluminium. Les deux faces sont traitées avec un revêtement inerte, puis conditionnées dans un emballage protecteur à quatre couches, permettant un stockage de longue durée sans oxydation (plus de trois mois en boîte à gants).

3. Contraste d'uniformité

Le processus de fabrication des feuilles de sodium bobinées à la main présente des incertitudes importantes. Leur fabrication artisanale ne permet pas une uniformité parfaite de leur épaisseur et de leur forme, ce qui peut affecter la reproductibilité des tests de batteries. La surface de ces feuilles peut être relativement rugueuse, ce qui réduit la surface de contact et la qualité du contact avec les matériaux d'électrode par rapport aux feuilles de sodium commerciales. Il en résulte des fluctuations des performances des batteries. Comparées aux feuilles circulaires artisanales, les feuilles de sodium bobinées à la main permettent d'éviter le problème de faible efficacité d'assemblage des batteries dû à des procédés de fabrication non standardisés. De plus, leur surface lisse et brillante réduit l'apparition de micro-courts-circuits causés par des bavures ou des rayures, garantissant ainsi un fonctionnement sûr et stable des batteries au sodium. Ces avantages confèrent aux feuilles d'électrodes composites au sodium de larges perspectives d'application dans le domaine de la recherche sur les batteries au sodium, offrant aux chercheurs une option plus performante et plus efficace.

Globalement, lors des tests de batteries, les feuilles de sodium commerciales, grâce à leur grande homogénéité, stabilité, planéité et pureté, permettent d'obtenir des résultats plus précis et fiables. En revanche, les feuilles de sodium usinées à la main, du fait des limitations du procédé de fabrication, présentent des performances relativement faibles. Le choix des feuilles de sodium doit donc être mûrement réfléchi et prendre en compte les exigences spécifiques de l'expérience ainsi que le budget alloué.

IV. Comparaison entre les comprimés de sodium roulés à la main et les comprimés de sodium commerciaux

Pour observer visuellement les différences de performance entre les deux feuilles de sodium, nous avons utilisé du Cu-BTC comme précurseur et effectué un simple traitement thermique et une gravure acide afin de préparer un nanocomposite de carbone poreux dopé à l'azote. À partir de ces deux feuilles de sodium, nous avons assemblé des demi-batteries pour évaluer leurs différences de performance. Voici les différences de performance des deux demi-batteries à base de feuilles de sodium :

Figure 3. Performances de cyclage de la demi-cellule à base de feuilles de sodium enroulées à la main utilisant NC

Figure 4. Performances de cyclage d'une demi-cellule à base de feuilles de sodium composites NC.

La figure 3 montre que le rapport de capacité spécifique de charge de Cu@NC et l'efficacité coulombique sont corrélés sur 1 000 cycles. La surface rugueuse de la feuille de sodium laminée à la main la rend plus sujette aux courts-circuits latents. Après le passage des dendrites à travers le séparateur, les électrodes positive et négative entrent en contact, provoquant un court-circuit latent et une chute brutale de l'efficacité coulombique. La batterie présente alors un phénomène de charge continue, mais la tension n'atteint pas la limite supérieure de la plage de charge. Lors des cycles suivants, la chute des dendrites de l'électrode élimine le contact entre les électrodes et l'efficacité coulombique retrouve son niveau maximal. En revanche, l'utilisation de feuilles de sodium composites commerciales permet d'obtenir 2 000 cycles stables sans court-circuit latent, ce qui démontre leur supériorité en termes de stabilité.

V. Conclusion

Globalement, les feuilles de sodium composites commerciales présentent une meilleure uniformité que les feuilles de sodium laminées à la main et sont plus pratiques à utiliser. Elles permettent d'éviter les problèmes de faible rendement d'assemblage des batteries liés à des procédés de fabrication non standardisés, améliorant ainsi la constance des performances. De plus, la surface lisse et brillante des feuilles de sodium réduit les bavures et les rayures, minimisant ainsi les anomalies telles que les micro-courts-circuits et améliorant la stabilité cyclique de la batterie. Ces avantages confèrent aux feuilles de sodium composites commerciales de larges perspectives d'application dans le domaine de la recherche sur les batteries sodium-ion, offrant aux chercheurs une solution plus performante et efficace.