Des chercheurs deUniversité technique de Munich(TUM) etUniversité RWTH d'Aix-la-ChapelleEn Allemagne, des chercheurs ont comparé les performances électriques des batteries sodium-ion haute énergie (SIB) à celles d'une batterie lithium-ion haute énergie de pointe (LIB) avec une cathode lithium-fer-phosphate (LFP).

L'équipe a constaté que l'état de charge et la température ont une influence plus importante sur la résistance aux impulsions et l'impédance des SIB que sur celles des LIB, ce qui peut influencer les choix de conception et suggère que les SIB pourraient nécessiter des systèmes de gestion de la température et de la charge plus sophistiqués pour optimiser leurs performances, en particulier à des niveaux de charge plus faibles.

• Pour expliquer plus en détail la résistance impulsionnelle : ce terme désigne la chute de tension d'une batterie lors d'une demande de puissance soudaine. Ainsi, les recherches indiquent que les batteries sodium-ion sont plus sensibles au niveau de charge et à la température que les batteries lithium-ion.

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« Les batteries sodium-ion (SIB) sont généralement considérées comme des alternatives directes aux batteries lithium-ion (LIB) », ont déclaré les scientifiques. « Néanmoins, les différences de comportement électrochimique entre le sodium et le lithium nécessitent des adaptations au niveau de l'anode et de la cathode. Alors que le graphite est généralement utilisé comme matériau d'anode pour les batteries lithium-ion (LIB), le carbone dur est actuellement considéré comme le matériau le plus prometteur pour les batteries sodium-ion (SIB). »

Ils ont également expliqué que leurs travaux visaient à combler une lacune dans la recherche, car il existe encore un manque de connaissances sur le comportement électrique des SIB en termes de variations de température et d'états de charge (SOC).

L'équipe de recherche a notamment effectué des mesures de performances électriques à des températures allant de 10 °C à 45 °C et des mesures de tension en circuit ouvert de la cellule complète à différentes températures ainsi que des mesures de demi-cellules des cellules correspondantes à 25 °C.

« De plus, nous avons étudié l’influence de la température et de l’état de charge (SOC) sur la résistance en courant continu (R_DC) et sur la spectroscopie d’impédance électrochimique galvanostatique (GEIS) », précise le rapport. « Afin d’examiner la capacité utile, l’énergie utilisable et l’efficacité énergétique en conditions dynamiques, nous avons réalisé des tests de capacité de charge en appliquant différents régimes de charge à différentes températures. »

Les chercheurs ont mesuré une batterie lithium-ion, une batterie sodium-ion à cathode nickel-manganèse-fer et une batterie lithium-ion à cathode LFP. Les trois batteries présentaient une hystérésis de tension, c'est-à-dire que leur tension en circuit ouvert différait entre la charge et la décharge.

« Il est intéressant de noter que, pour les batteries sodium-ion (SIB), l'hystérésis se manifeste principalement à de faibles états de charge (SOC), ce qui, d'après les mesures sur demi-cellule, est probablement dû à l'anode en carbone dur », ont souligné les chercheurs. « La résistance en courant continu (R_DC) et l'impédance des batteries lithium-ion (LIB) sont très peu dépendantes du SOC. En revanche, pour les SIB, la R_DC et l'impédance augmentent significativement pour des SOC inférieurs à 30 %, tandis que des SOC plus élevés ont l'effet inverse et entraînent des valeurs de R_DC et d'impédance plus faibles. »

De plus, ils ont constaté que la dépendance de la résistance en courant continu (R_DC) et de l'impédance à la température est plus marquée pour les batteries sodium-ion (SIB) que pour les batteries lithium-ion (LIB). « Les tests sur les LIB ne montrent pas d'influence significative de l'état de charge (SOC) sur le rendement aller-retour. En revanche, le cyclage des SIB de 50 % à 100 % de SOC permet de réduire les pertes de rendement de plus de moitié par rapport à un cyclage de 0 % à 50 % », ont-ils expliqué, précisant que le rendement des SIB augmente considérablement lors du cyclage des cellules dans une plage de SOC élevée par rapport à une plage de SOC faible.