Synthèse assistée par Leidenfrost d’un matériau de cathode économique et adaptable à grande échelle pour les batteries sodium-ion. Crédit : Groupe de recherche sur les énergies propres de l’Institut indien des sciences et de l’éducation (IISER) de Bhopal, Inde.
Il y a environ 270 ans, le docteur Johann Gottlob Leidenfrost, un Allemand, observa un comportement particulier des gouttelettes d’eau sur des surfaces métalliques chauffées. Dans son manuscrit intitulé « Traité sur certaines qualités de l’eau courante », il décrivit comment l’eau glissait sur des surfaces métalliques surchauffées comme si le frottement avait disparu. Ce phénomène se produit lorsque l’eau, ou tout autre liquide, forme un coussin de vapeur sur les surfaces à une température bien supérieure à son point d’ébullition, lui permettant ainsi de glisser sans être touchée.
Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Leidenfrost, explique pourquoi les poêles en acier inoxydable deviennent soudainement antiadhésives lorsqu’elles sont chauffées à haute température. Mais quel rapport une observation vieille de 270 ans pourrait-elle avoir avec la conception de systèmes de stockage d’énergie durables ?
Dans une étude récemment publiée dans Small , une équipe de chercheurs de l’Institut indien des sciences de l’éducation et de la recherche (IISER) de Bhopal, de l’Institut indien de technologie de Gandhinagar (IITGN), de l’Université de Swansea et de l’Université du Queensland du Sud a exploré comment cet effet physique inhabituel peut aider à créer des batteries plus stables et plus durables et émerger comme une alternative pratique à la technologie lithium-ion (Li-ion).
Pourquoi le sodium est un candidat prometteur
Alors que le monde se tourne vers les énergies renouvelables, la demande en batteries plus performantes n’a jamais été aussi forte. « Les batteries lithium-ion alimentent actuellement tous nos appareils, des smartphones aux voitures électriques », explique le Dr Rohit Ranganathan Gaddam, co-auteur principal de l’étude et professeur adjoint à l’IISER de Bhopal, où il dirige le Groupe de recherche sur les énergies propres et travaille à résoudre les problèmes des systèmes de stockage d’énergie actuels. « Cependant, le lithium est relativement rare et coûteux à extraire, ce qui rend indispensable une alternative plus écologique et économique. »
Le sodium est depuis longtemps présenté comme un substitut potentiel au lithium. Élément omniprésent dans l’eau de mer, le sel et même le sang, le sodium est bon marché et facile à obtenir. De ce fait, les batteries sodium-ion sont une solution prometteuse pour le stockage d’énergie à grande échelle, notamment pour les énergies renouvelables. Cependant, l’encombrement stérique des ions sodium constitue un obstacle majeur. Plus lourds, ces ions finissent par saturer et endommager la cathode, la borne positive de la batterie qui sert de réservoir d’énergie.
Concevoir une autoroute atomique pour les ions
Pour qu’une batterie au sodium fonctionne correctement, le matériau de sa cathode doit permettre aux ions sodium de se déplacer rapidement et de façon répétée sans que sa structure ne soit altérée. De nombreux matériaux prometteurs existent, mais ils manquent souvent de vitesse, de stabilité ou de durabilité à long terme.
« Nous avons décidé de concevoir l’infrastructure cathodique adéquate, une véritable autoroute atomique, pour permettre aux ions sodium de circuler rapidement », a ajouté Subhajit Singha, premier auteur de l’étude et doctorant à l’IISER de Bhopal. L’équipe a utilisé Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), un mélange de phosphate et de pyrophosphate à base de fer qui forme naturellement une structure tridimensionnelle stable en forme de tunnel. Connaissant les limitations en termes de conductivité et d’énergie des matériaux cathodiques à base de fer pur , les chercheurs ont expérimenté en ajoutant une faible proportion d’indium au mélange.
On a observé qu’en remplaçant seulement 1 % des atomes de fer par de l’indium, l’espacement atomique au sein du matériau de cathode potentiel augmentait, sans altérer sa structure fondamentale. Ceci facilitait la diffusion des ions sodium et améliorait la conductivité électronique du matériau de cathode, caractéristique des batteries hautes performances.
Percée industrielle inspirée par Leidenfrost
Outre des améliorations apportées à la composition du matériau cathodique, l’équipe a également innové dans son procédé de fabrication. « Nous avons exploité les principes fondamentaux de l’effet Leidenfrost pour concevoir des matériaux cathodiques plus durables et plus performants que les standards actuels du marché », a déclaré le Dr Gaddam. Ils ont pulvérisé le mélange chimique sur une surface métallique suffisamment chaude pour déclencher l’effet Leidenfrost.
Au contact de la plaque incandescente, les gouttelettes s’évaporent instantanément, fusionnent en particules poreuses, puis sont réduites en poudre par cuisson. Ce procédé rapide et écologique évite l’utilisation de fours énergivores et produit des grains spongieux qui absorbent l’électrolyte, facilitant ainsi la circulation du sodium.
Performance, évolutivité et implications mondiales
Des mesures avancées et des simulations numériques ont permis de mieux comprendre la restructuration à l’échelle atomique. Les résultats ont mis en évidence comment l’indium modifie subtilement la structure atomique, élargissant les voies de passage des ions, abaissant les barrières énergétiques, améliorant la conductivité et préservant l’intégrité de la structure cristalline du matériau de cathode potentiel sur des milliers de cycles.
« Le matériau de cathode optimisé a démontré une densité énergétique élevée d’environ 359 Wh kg⁻¹ et une durabilité remarquable, avec des performances stables sur plus de 10 000 cycles de charge-décharge », a déclaré le Dr Raghavan Ranganathan, co-auteur de l’étude et professeur associé au département de génie des matériaux de l’IITGN. À titre de comparaison, la plupart des batteries de téléphones ou d’ordinateurs portables ne durent que quelques centaines de cycles. Ce matériau de cathode est donc idéal pour le stockage d’énergie renouvelable dans les systèmes exigeant une performance durable.
Pour l’Inde, qui vise 500 GW d’énergies renouvelables d’ici 2030, une version à grande échelle et testée industriellement des batteries sodium-ion dotées de cette nouvelle cathode pourrait permettre un stockage d’énergie abordable sur le réseau, exploitant ainsi l’énergie solaire et éolienne sans coupures de courant. « Notre étude montre qu’une modification stratégique à l’échelle atomique, associée à une méthode de synthèse simple et adaptable à grande échelle, peut permettre d’atteindre des performances jusqu’alors inaccessibles aux cathodes des batteries sodium-ion », a déclaré le Dr Gaddam.
Conformément aux missions énergétiques nationales et aux objectifs de développement durable n° 7 (énergie propre et abordable) et n° 11 (lutte contre les changements climatiques) des Nations Unies, cette étude contribue à réduire la dépendance au lithium, à faciliter des chaînes d’approvisionnement plus équitables et à permettre le stockage abordable de l’énergie verte. « Cette convergence d’expertises expérimentales et informatiques entre institutions et continents prouve que des sites historiques atypiques comme Leidenfrost peuvent donner naissance à des pôles modernes d’innovation durable », a souligné le Dr Ranganathan.
https://techxplore.com/news/2026-03-year-physics-supercharge-battery-technology.html
