Synthèses et caractérisations électrochimiques de nouveaux matériaux pour batteries à forte puissance

Faits marquants | Hipohybat

17 mars 2025

Le projet HIPOHYBAT présente des premiers résultats de caractérisations électrochimiques de nouveaux matériaux pour des batteries à forte puissance

Thierry BROUSSE (IMN) et Patrick ROZIER (CIRIMAT)

Le projet HIPOHYBAT, cible le développement d’accumulateurs basés sur la technologie sodium-ion et sur des concepts hybrides innovants combinant des matériaux empruntés aux batteries et aux supercondensateurs. L’objectif est d’atteindre par effet de synergie, de fortes densités d’énergie et des densités de puissance conséquentes. Les composants principaux de ces systèmes de puissance de demain sont designés en intégrant, tant au niveau sélection des matériaux que des procédés d’élaboration, les critères de durabilité pour limiter leur impact environnemental. Les avancées majeures obtenues au bout de 2 ans ont été exposées lors du PEPR Batteries Day.

Concernant l’augmentation de puissance des accumulateurs sodium-ion, les principaux développements se sont focalisés sur les matériaux d’électrodes positives de type Na_x[Ni,Mn,M]O₂. L’effet stabilisant de substituants (M=Zn, Ti), se traduit par une meilleure tenue à des courants de charge/décharge élevés en comparaison du matériau initial. L’optimisation de la composition a permis de préserver une densité d’énergie importante. L’accroissement substantiel des performances de ces électrodes positives innovantes est obtenu en s’appuyant sur la synergie des propriétés des polytypes O3 et P2 Na_x[Ni,Mn,M]O₂ qui la constituent.

Une approche similaire a été appliquée aux matériaux d’électrodes négatives de batteries sodium-ion. L’élaboration de composites carbone dur/titanate de sodium et le contrôle de leur microstructure ont conduit à une augmentation significative des performances en puissance. Un brevet est en cours de dépôt sur ces nouveaux matériaux d’électrodes composites à architecture contrôlée (Fig. 1).

Figure 1 : tenue en cyclage obtenue pour différents composites carbones durs (HC)/Na₂Ti₃O₇ (NTO) utilisés en demi-cellule par rapport à du sodium métallique. (Crédits : Yassin Zoizou, Loïc Simonin, Adrian Beda, Camelia Matei Ghimbeu, Particules Cœur-Coquille Metatitanate De Sodium – Carbone, Leurs Procedes De Preparation, Et Leurs Utilisation, Brevet FR2412273, 08/11, 2024)

Les batteries hybrides de puissance ont également fait l’objet de développements au niveau des matériaux. De nouvelles méthodes de synthèse utilisant des agents structurants à base de sels de chlorures alcalins, et associant un dopage à l’azote ont permis d’atteindre des capacités de 150 mAh/g. De telles valeurs positionnent ces nouveaux matériaux parmi les carbones les plus performants. Des composés alternatifs (MXenes) ont également été étudiés en portant un intérêt particulier à l’influence de la chimie de surface sur leurs propriétés et performances électrochimiques (Fig. 2).

Figure 2 : Effet des fonctions de surface des MXènes sur leurs propriétés électrochimiques, MS = Molten salts synthesis, HF = HF etchning synthesis. (Crédit : Bo et al., Nature Comm 2025, in press)

L’ensemble de ces avancées obtenues dans le domaine des accumulateurs Sodium-ion de puissance et des systèmes hybrides valide les stratégies d’optimisation mises en œuvre dans le projet HIPOHYBAT.