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Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4934 (2022) Citer cet article

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Les batteries non aqueuses à base de sodium sont des candidates idéales pour la prochaine génération de dispositifs de stockage d'énergie électrochimique. Cependant, malgré leurs performances prometteuses à température ambiante, leur fonctionnement à basse température (par exemple < 0 °C) est affecté de manière néfaste par l'augmentation de la résistance de l'électrolyte et l'instabilité de l'interphase électrolytique solide (SEI). Ici, pour contourner ces problèmes, nous proposons des formulations d'électrolytes spécifiques comprenant des solvants à base d'éther linéaires et cycliques et du sel de trifluorométhanesulfonate de sodium qui sont thermiquement stables jusqu'à -150 °C et permettent la formation d'un SEI stable à basses températures. Lorsqu'ils sont testés dans la configuration de pile bouton Na||Na, les électrolytes à basse température permettent un cycle à long terme jusqu'à −80 °C. Via des mesures physicochimiques ex situ (par exemple, spectroscopie photoélectronique à rayons X, microscopie électronique à transmission cryogénique et microscopie à force atomique) et des calculs de théorie fonctionnelle de la densité, nous étudions les mécanismes responsables d'une performance électrochimique efficace à basse température. Nous rapportons également l'assemblage et les tests entre -20 °C et -60 °C de piles boutons Na||Na3V2(PO4)3 complètes. La cellule testée à −40 °C présente une capacité de décharge initiale de 68 mAh g−1 avec une rétention de capacité d'environ 94 % après 100 cycles à 22 mA g−1.

Les batteries lithium-ion (LIB) ont été largement utilisées dans les appareils électroniques portables et les véhicules électriques en raison de leur densité énergétique élevée et de leur longue durée de vie1,2,3. Néanmoins, ils souffrent inévitablement de fortes pertes d’énergie/puissance dans les environnements froids, en particulier lorsque la température descend en dessous de −20 °C4,5. Ces mauvaises performances à basse température limitent leur application dans les missions aéronautiques/spatiales, les expéditions polaires et de nombreuses installations militaires et civiles dans les régions froides, dans lesquelles une température de fonctionnement de la batterie inférieure à −40 °C est requise4,6.

La recherche d'un système doté de fonctionnalités de stockage d'énergie électrochimique attrayantes au-delà des technologies basées sur le Li serait prometteuse pour relever les défis associés au fonctionnement à basse température. En tant que métal alcalin, le sodium (Na) se distingue car il partage de nombreuses propriétés chimiques et physiques avec le Li tout en étant naturellement plus abondant7,8,9. Na a une première énergie d'ionisation inférieure à celle du Li (495,8 contre 520,2 kJ mol−1)10, ce qui peut contribuer à améliorer la réactivité chimique/électrochimique et faciliter les réactions électrochimiques dans des environnements froids. Le métal Na joue un rôle crucial en tant que matériau d'anode pour les batteries Na en raison de son faible potentiel d'électrode (−2,714 V par rapport à une électrode à hydrogène standard) et de sa capacité spécifique théorique élevée (1 166 mAh g−1)7,8,9,11,12. ,13,14. Néanmoins, les recherches sur les batteries au Na à basse température sont limitées et, en particulier, la compréhension du comportement du métal Na en tant qu'électrode fait largement défaut15,16,17,18.

L’activation du fonctionnement de la batterie à basse température dépend fortement de la nature de l’électrolyte19,20,21,22. La résistance de l’électrolyte augmente rapidement à mesure que la température baisse en raison des points de congélation/fusion relativement élevés des solvants carbonates non aqueux et de la solubilité réduite des sels conducteurs5,19. De plus, l’interphase électrolytique solide (SEI) formée à température ambiante pourrait ne pas être en mesure de maintenir les mêmes capacités de protection dans des conditions froides pour permettre un cyclage efficace. Pendant ce temps, l’évolution structurelle et compositionnelle à basse température du SEI formé sur l’électrode métallique Na reste encore insaisissable.

Une solution viable pour contourner ces problèmes consiste à formuler des électrolytes destinés à un fonctionnement à basse température en utilisant des solvants à bas points de fusion et des sels capables de former un SEI stable. Ici, en appliquant une telle stratégie électrolytique, nous démontrons qu'une solution électrolytique comprenant un solvant éther acyclique et un sel de Na compatible peut étendre la température de fonctionnement du métal Na jusqu'à -40 ° C. Le sel trifluorométhanesulfonate (OTf) joue un rôle essentiel en permettant la formation d’un SEI stable à basse température. De plus, l’ajout d’un solvant éther cyclique pour préparer une solution électrolytique à solvant binaire peut étendre le seuil de température de thermostabilité jusqu’à -150 °C. Nous démontrons un placage/décapage stable du métal Na dans des cellules symétriques à basse température jusqu'à −80 °C, présentant un faible surpotentiel d'environ 150 mV pendant plus de 750 h. Cette performance étend la capacité opérationnelle à basse température des électrodes de métaux alcalins dans des solutions électrolytiques non aqueuses (voir la figure supplémentaire 1 et le tableau supplémentaire 1 pour une comparaison avec l'état de la technique). Des caractérisations expérimentales couplées (par exemple, spectroscopie photoélectronique à rayons X, microscopie électronique à transmission cryogénique et microscopie à force atomique) et des calculs de théorie fonctionnelle de la densité permettent de comprendre les caractéristiques mécanistiques qui permettent des performances électrochimiques efficaces à basse température. Des piles boutons Na||Na3V2(PO4)3 complètes sont également assemblées et testées entre −20 °C et −60 °C. Les cellules testées à -40 °C et -60 °C présentent des capacités de décharge initiales d'environ 68 et 39 mAh g−1, respectivement, avec des rétentions de capacité d'environ 94 % et 91 % après 100 cycles à 22 mA g−1.