Dans le contexte florissant du stockage d'énergie, les batteries sodium-ion apparaissent comme une alternative prometteuse à leurs homologues lithium-ion, principalement grâce à l'abondance des ressources en sodium à l'échelle mondiale. Parmi les différents matériaux étudiés pour les batteries sodium-ion, on trouve le phosphate de sodium-vanadium (Na₃V₂(PO₄)₃), abrégé en NVP ) a suscité une attention considérable ces derniers temps.

La promesse des batteries sodium-ion

Alors que le monde s'oriente vers un avenir énergétique plus durable, la demande de solutions de stockage d'énergie efficaces et rentables explose. Les batteries lithium-ion, qui dominent actuellement le marché, sont confrontées à des défis tels que des réserves limitées de lithium et des coûts élevés liés à son extraction. Le sodium, quant à lui, est le sixième élément le plus abondant de la croûte terrestre et est largement disponible dans l'eau de mer et les mines de sel. Cette abondance fait des batteries sodium-ion une option intéressante pour le stockage d'énergie à grande échelle, notamment pour les applications à l'échelle du réseau et les véhicules électriques.

NVP : structure et principes de base

Le NVP appartient à la famille des phosphates polyanioniques. Il présente une stabilité NASICON (Na Super Ionic CONductor) - structure tridimensionnelle. Cette structure unique offre plusieurs avantages. La structure ouverte de NASICON permet une diffusion rapide des ions sodium, créant ainsi des canaux de diffusion rapides pour leur entrée et leur sortie pendant les processus de charge et de décharge de la batterie. De plus, les fortes interactions de liaison covalente entre les groupes PO₄³⁻ contribuent à la grande stabilité structurelle du NVP. Lors des cycles de charge-décharge, le NVP ne subit qu'une variation de volume relativement faible d'environ 8,26 %, ce qui est crucial pour garantir la stabilité à long terme des batteries sodium-ion.

Performances électrochimiques du NVP

En termes de performances électrochimiques, le NVP présente des caractéristiques distinctes. Lors de la charge et de la décharge, il présente deux plateformes électrochimiques principales. L'une est proche de 1,6 V, correspondant au couple redox V²⁺/V³⁺, et l'autre est d'environ 3,4 V, associée à la réaction redox V³⁺/V⁴⁺. À 3,4 V, une réaction biphasique réversible se produit, représentée par l'équation Na₃V₂(PO₄)₃↔NaV₂(PO₄)₃, qui peut fournir une capacité spécifique d'environ 118 mAh g⁻¹.

Cependant, comme de nombreux matériaux d'électrode, le NVP présente également des limites. Les tétraèdres (PO₄) du réseau NVP présentent une faible conductivité électrique, ce qui isole les atomes de V, entraînant une faible conductivité électronique intrinsèque. De plus, lors de cycles de charge-décharge répétés, le NVP est sensible aux contraintes structurelles et aux variations de volume importantes. Ces facteurs ralentissent la cinétique de diffusion des ions sodium, ce qui limite considérablement sa stabilité cyclique et ses performances, et freine ainsi son application commerciale à grande échelle.

Progrès récents dans les matériaux à base de NVP

1. Modification du matériau en carbone

L'une des stratégies les plus courantes pour améliorer les performances du NVP consiste à modifier le matériau en carbone. Cela peut se faire de deux manières principales : le revêtement en carbone et la régulation des composites en carbone.

Revêtement en carbone : Recouvrir la surface du NVP d'une couche de carbone conductrice peut améliorer considérablement sa conductivité électronique. Ce revêtement agit comme un pont pour le transfert d'électrons, facilitant leur déplacement lors de la réaction électrochimique. De plus, il peut réduire les réactions secondaires entre le NVP et l'électrolyte, améliorant ainsi les performances électrochimiques globales du NVP. Par exemple, des recherches ont montré qu'une fine couche de carbone sur le NVP peut augmenter sa capacité de débit et sa stabilité en cyclage.

Régulation des composites carbone : L'association du NVP à des matériaux à base de carbone tels que les nanotubes de carbone, le graphène et les points de carbone permet de créer des composites NVP/C hautes performances. Ces matériaux à base de carbone présentent des structures uniques et une conductivité électrique élevée. Associés au NVP, ils forment un réseau conducteur, améliorant ainsi l'efficacité du transfert d'électrons. Par exemple, les composites NVP-graphène ont démontré des performances électrochimiques supérieures, avec une rétention de capacité et des performances de débit supérieures à celles du NVP pur.

2. Dopage ionique

Le dopage ionique est une autre approche efficace pour modifier la NVP. En introduisant des ions étrangers dans le réseau NVP, les propriétés du matériau peuvent être ajustées.

Dopage monospécifique : Le dopage peut se produire à différents endroits de la structure de la NVP, tels que les sites Na, V ou PO₄³⁻. Par exemple, le dopage du site V avec des éléments comme Fe, Mn ou Co peut modifier la structure électronique de la NVP, améliorant potentiellement sa conductivité électrique et ses performances électrochimiques. Certaines études ont montré que la NVP dopée au Fe présente une capacité et une stabilité de cyclage améliorées.

Dopage multisite : Le dopage multisite, où plusieurs types d'ions sont introduits simultanément, suscite également un intérêt croissant. Cela peut conduire à des effets synergétiques plus bénéfiques que le dopage par ion unique. Par exemple, il a été démontré que le codopage avec K et Co dans le NVP augmente la capacité spécifique. Dans une étude, le matériau K₀.₁Na₂.₉₅V₁.₉₅Co₀.₀₅(PO₄)₃ préparé a montré une capacité spécifique élevée de 107,5 mA·h/g à une densité de courant de 1 °C, supérieure à celle du NVP pur (99,2 mA·h/g à 1 °C), et a conservé 70,41 % de sa capacité après 500 cycles. Le codopage a augmenté le volume de la cellule unitaire, accélérant le transfert de Na⁺ et améliorant les performances électrochimiques du matériau.

3. Ingénierie des nanostructures

Le contrôle de la nanostructure du NVP fait également l'objet de recherches actives. La création de matériaux NVP dotés de nanostructures uniques, telles que des nanofils/nanofibres 1D, des nanofeuilles/nanoplaques 2D et des nanosphères/structures poreuses/creuses hiérarchisées 3D, permet d'améliorer considérablement les performances de débit et la stabilité du cycle.

Nanostructures 1D : Les nanofils ou nanofibres 1D de NVP présentent un rapport d'aspect élevé, ce qui peut raccourcir le trajet de diffusion des ions sodium. Cela permet un transport ionique plus rapide, améliorant ainsi la capacité de charge du matériau. De plus, le rapport surface/volume élevé des nanostructures 1D peut augmenter la surface de contact avec l'électrolyte, facilitant ainsi la

réaction électrochimique.

Nanostructures 2D : Les nanofeuilles ou nanoplaques 2D de NVP présentent également des avantages. Elles offrent une grande surface de stockage des ions sodium et permettent une diffusion rapide des ions dans le plan. Certaines études ont montré que les nanofeuilles 2D de NVP présentent d'excellentes performances en termes de débit et de stabilité cyclique.

Nanostructures 3D : Les nanosphères 3D ou les structures hiérarchiques poreuses/creuses de NVP peuvent amortir les variations de volume lors des cycles de charge-décharge. La structure poreuse peut également accueillir l'électrolyte, améliorant ainsi l'efficacité du transfert d'ions. Ces nanostructures 3D pourraient améliorer les performances globales des électrodes à base de NVP.

Applications de NVP - Batteries à base de sodium

1. Stockage d'énergie à l'échelle du réseau

Le stockage d'énergie à l'échelle du réseau est l'une des applications les plus prometteuses des batteries sodium-ion à base de NVP. Avec la pénétration croissante des énergies renouvelables, telles que l'énergie solaire et éolienne, dans le réseau, le besoin de systèmes de stockage d'énergie à grande échelle pour équilibrer l'alimentation électrique intermittente se fait de plus en plus sentir. Les batteries à base de NVP, avec leur potentiel de densité énergétique élevée, leur longue durée de vie et leur faible coût (grâce à l'abondance de sodium), peuvent jouer un rôle crucial pour stocker l'électricité excédentaire produite pendant les pics de production et la restituer en période de forte demande. Par exemple, dans certaines régions dotées de parcs solaires à grande échelle, des systèmes de stockage d'énergie à base de batteries sodium-ion à base de NVP pourraient être installés pour stocker l'électricité produite pendant la journée et la réutiliser la nuit.

2. Véhicules électriques

Bien que les batteries lithium-ion dominent actuellement le marché des véhicules électriques (VE), les batteries sodium-ion à base de NVP pourraient constituer une option viable pour certains types de VE à l'avenir. Leurs avantages en termes de coût et de sécurité les rendent attractives, notamment pour les VE à faible et moyenne autonomie. Certains chercheurs explorent des moyens d'améliorer la densité énergétique et les performances énergétiques des batteries à base de NVP afin de répondre aux exigences des applications VE. Par exemple, en optimisant davantage la structure et les propriétés électrochimiques du matériau, il pourrait être possible de développer des batteries à base de NVP offrant une autonomie et des performances suffisantes pour les VE urbains.

3. Électronique grand public

Dans le domaine de l'électronique grand public, les batteries sodium-ion à base de NVP pourraient également trouver des applications. Face à la demande constante de batteries plus durables et plus abordables pour des appareils tels que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables, les batteries à base de NVP pourraient offrir une solution économique. Leur tension relativement élevée et leur durée de vie satisfaisante les rendent idéales pour alimenter ces appareils électroniques portables. De plus, les avantages des batteries sodium-ion en termes de sécurité, comme la réduction du risque d'emballement thermique par rapport à certaines batteries lithium-ion, pourraient constituer un atout supplémentaire pour les applications électroniques grand public.

Défis et perspectives d'avenir

Malgré les progrès significatifs réalisés dans la recherche sur les batteries sodium-ion à base de NVP, il reste encore plusieurs défis à surmonter.

Production rentable : Bien que le sodium soit abondant, le développement de procédés de fabrication rentables pour les batteries à base de NVP demeure un défi. Accroître la production de matériaux NVP de haute qualité tout en maîtrisant les coûts est essentiel à leur succès commercial.

Optimisation des performances : de nouvelles améliorations de la densité énergétique, des performances énergétiques et de la stabilité des cycles des batteries NVP sont nécessaires. Cela nécessite des recherches continues sur de nouvelles stratégies de modification des matériaux et des interfaces électrode-électrolyte.

Normalisation et intégration : l’établissement de normes industrielles pour les batteries sodium-ion à base de NVP et leur intégration dans les systèmes de stockage d’énergie et d’alimentation existants constitueront également des étapes importantes pour leur adoption généralisée.

À l'avenir, le développement des batteries sodium-ion à base de NVP est très prometteur. Grâce à des efforts continus de recherche et développement, ces batteries pourraient devenir un acteur clé du marché mondial du stockage d'énergie, contribuant ainsi à un avenir énergétique plus durable et plus fiable. L'exploration de nouveaux éléments dopants, de composites à base de carbone et de nanostructures devrait permettre d'améliorer encore les performances des matériaux à base de NVP. De plus, les collaborations entre les universités, les instituts de recherche et les acteurs industriels seront essentielles pour accélérer la commercialisation des batteries sodium-ion à base de NVP et en faire bénéficier un large éventail d'applications.