Le pouvoir du sel : le lithium

Par Conférence Goldschmidt13 juillet 2023

Les chercheurs font des progrès dans la technologie des batteries en développant une méthode de mélange du lithium et du sodium destinée à être utilisée dans des batteries de haute qualité. En combinant les deux éléments, ils visent à réduire les coûts, à sécuriser la chaîne d’approvisionnement et à répondre à la rareté croissante du lithium, très demandé en raison de son utilisation dans les batteries lithium-ion.

Des chercheurs de l’Arizona State University travaillent sur un potentiel révolutionnaire pour la technologie des batteries : le mélange du lithium et du sodium. Leur objectif est de réduire les coûts et de stabiliser la chaîne d'approvisionnement, les résultats préliminaires montrant un mélange sodium-lithium à 10 % thermodynamiquement stable, qui devrait atteindre 20 %.

Le lithium est en train de devenir le nouvel or, avec une utilisation croissante dans les batteries lithium-ion des voitures électriques, des ordinateurs et des appareils portables qui font grimper les prix et affectent l'offre de ce métal relativement rare. Les scientifiques sont sur le point de développer un moyen d'utiliser le sodium pour remplacer une partie du lithium, réduisant ainsi les coûts et garantissant l'approvisionnement.

Récemment, des scientifiques ont envisagé de se passer complètement du lithium et d’utiliser plutôt du sodium ou d’autres éléments dans des batteries de haute qualité. Le sodium est moins cher et plus disponible (on le trouve dans l'eau de mer, sous forme de chlorure de sodium), mais il présente des inconvénients, et les batteries au lithium restent les meilleures, en termes de fourniture de la charge concentrée nécessaire pour alimenter les voitures et les appareils portables. L'étudiant au doctorat Tullio Geraci et le professeur Alexandra Navrotsky de l'Arizona State University ont adopté une approche différente ; mélanger du lithium et du sodium dans la même batterie. promet d’atténuer les problèmes d’approvisionnement et d’ouvrir la voie à des batteries moins chères et à une chaîne d’approvisionnement plus sécurisée.

Le groupe fabrique des matériaux lithium-sodium et caractérise leurs structures, leur homogénéité et leurs propriétés thermodynamiques. Les chercheurs utilisent une technique spécialisée développée et optimisée au laboratoire Navrotsky (calorimétrie en solution fondue d'oxydes à haute température) pour mesurer la stabilité énergétique des matériaux, tandis que des expériences de chauffage déterminent leur éventuelle décomposition en cours d'utilisation.

Présentant leurs résultats lors de la conférence de géochimie de Goldschmidt, Tullio Geraci a déclaré : « Nous avons mélangé de petites quantités de sodium avec du lithium, testé sa stabilité, puis vu comment il fonctionne. Il s'agit d'un processus étape par étape, et lorsque nous avons commencé, la stabilité n'était pas prometteuse – la première chose dont nous avons besoin est de voir si le mélange reste sous une forme utilisable. Mais à mesure que nous augmentions, la stabilité de la teneur en sodium s'améliorait. Jusqu'à présent, nous avons obtenu un mélange à 10 %, et cela semble bien, il est toujours thermodynamiquement stable. Nous pensons pouvoir augmenter ce chiffre jusqu'à environ 20 % avant de constater une différence significative de performance ».

Tullio Geraci poursuit : « Au début, nous ne savions pas si ces dilutions Li/Na pouvaient être réalisées. Étonnamment, nous avons constaté que les dilutions faibles ont tendance à se décomposer, les solutions perdent leur homogénéité et la structure cristalline qui est importante pour produire une batterie. Mais à mesure que la quantité de sodium augmente, le matériau devient plus stable. Une fois que nous sommes parvenus à la combinaison optimale, nous devons transmettre nos découvertes aux technologues en batteries pour produire les premières batteries sodium-lithium. Nous pensons qu’il s’agit des premières étapes du développement d’une nouvelle technologie de batterie ».

Commentant, le professeur Nancy Ross (Département des géosciences, Virginia Tech, Blacksburg VA) a déclaré : « Les recherches de Geraci et Navrotsky mettent en évidence la manière dont la géochimie peut être appliquée au développement de nouveaux matériaux d'importance technologique. Leurs recherches ouvrent une voie prometteuse pour explorer des sources alternatives, plus abordables et durables, de batteries au lithium dont nous dépendons dans notre vie quotidienne.