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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16307 (2022) Citer cet article

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Les batteries sodium-ion sont privilégiées dans le stockage d’énergie stationnaire et à grande échelle en raison de leur faible coût et de leur non-toxicité. Comme le lithium est remplacé par du sodium pour des raisons de coût, une méthode de traitement peu coûteuse est nécessaire pour maintenir le prix des cellules aussi bas que possible. Nous rapportons une méthode de synthèse ultra-rapide qui utilise l’absorbance élevée des micro-ondes du carbure de silicium contenu dans les cendres de paille de riz. Des mélanges amorphes/maricite de composites de phosphates de fer et de carbone de sodium (NaFePO4-C) sont synthétisés, cristallisés et recouverts de carbone à l'aide d'un chauffage par micro-ondes en une seule étape. Les composites électroactifs sodium-ion sont préparés en utilisant différentes durées de chauffage par micro-ondes allant de 30 à 100 s. Des gaz inertes de haute pureté ne sont pas nécessaires pendant la synthèse, le traitement et même lors de l'assemblage des cellules. Les matériaux sont caractérisés par des techniques d'analyse élémentaire, la diffraction des rayons X (XRD), le microscope électronique à balayage/transmission (SEM/TEM) et la spectroscopie Raman. Les performances électrochimiques des nanocomposites synthétisés sont examinées en tant que cathode de batterie sodium-ion et en tant que supercondensateurs symétriques. Le temps de synthèse optimal est de 60 s pour l’application comme batteries sodium-ion et comme supercondensateur. La capacité spécifique maximale est de 108,4 mA hg−1 à 0,2 C dans le cas d'une utilisation comme cathode de batterie. Alors que la capacité est de 86 F g−1 à 0,5 A g−1 en tant que supercondensateur. La rétention de capacité est de 92,85 % après 40 cycles à 0,2 C en tant qu'électrode de batterie sodium-ion. Pour les supercondensateurs, la rétention de capacité est de 81,7 % après 1 000 cycles.

Les applications mobiles telles que les véhicules électriques (VE), les ordinateurs portables et les téléphones portables ont été envahies par les technologies lithium-ion en raison des capacités gravimétriques spécifiques élevées des cellules Li1. Les craintes d'épuisement du lithium sont apparues très tôt pour poser les bases de leur remplacement par des technologies sodium-ion, en particulier dans les applications courantes stationnaires et à grande échelle2,3. Le sodium possède de nombreuses caractéristiques très proches de celles du lithium, notamment son électronégativité et son rayon ionique. En revanche, le sodium est respectueux de l'environnement et son abondance dans la croûte terrestre est environ 1 350 fois supérieure à celle du lithium4. De nombreux nanomatériaux ont été révélés comme cathodes et anodes pour les batteries sodium-ion (SIB) et ont été publiés ailleurs5,6,7,8. Les phosphates de vanadium de sodium (NVP) Na3V2(PO4)3 et Na3VCr(PO4)3 avec des structures NASICON figuraient parmi les matériaux cathodiques actifs les plus efficaces en raison de leur potentiel de décharge élevé et plat à 3,4 V par rapport à Na/Na+, qui maximise la densité énergétique. Ils présentent également l’avantage d’une capacité de débit élevée en raison de leur structure à cadre ouvert supraconducteur aux ions sodium. Cependant, seuls deux des trois ions Na+ sont disponibles à ce potentiel élevé, ce qui donne une capacité théorique relativement faible de 118 mA hg−1. De plus, leur coût est relativement élevé9,10. En tant que matière première, l'oxyde de fer coûte un dixième du coût de l'oxyde de vanadium, ce qui réduit l'avantage de coût de l'utilisation du NVP par rapport au LiFePO411. Le phosphate de fer et de sodium, sous ses différentes formes, constitue un matériau bon marché comme cathodes de batteries sodium-ion, en plus de leur sécurité environnementale5. Les formes maricite, olivine et amorphe de NaFePO4, toutes avec une capacité théorique de 152 mA hg−1, ont été explorées en tant que matériaux cathodiques actifs et à faible coût pour les SIB12,13,14,15,16. L'olivine NaFePO4 peut être préparée uniquement à partir de LiFePO4 par délithiation électrochimique et sodiation ultérieure. Il possède une faible conductivité ionique en raison de ses tunnels de diffusion Na/Li dans une seule direction. La conversion de la maricite NaFePO4 en phase amorphe a été rapportée par Kim et al. après désodiation complète, de sorte que la maricite et le NaFePO4 amorphe peuvent être considérés comme ayant le même impact électrochimique que les matériaux cathodiques13.

Les phosphates de métaux de transition sans métaux alcalins sont des matériaux attrayants pour les supercondensateurs symétriques et asymétriques et de nombreux rapports ont été examinés par Li et al.18. Dans un nombre limité d'articles, des matériaux phosphatés de métaux de transition Li/Na qui étaient à l'origine actifs comme cathode ionique Li/Na dans les batteries ont été utilisés comme matériaux actifs dans des supercondensateurs électrochimiques asymétriques. Ils présentaient de bonnes capacités et d'excellentes stabilités cycliques19,20,21. NaNiPO4 a délivré 125 F g−1 lorsque 2 M de NaOH ont été utilisés comme électrolyte et que la plage de tension était de 0 à 1,6 V20. Sundaram et coll. préparé NaMn1/3Co1/3Ni1/3PO4 avec la structure Maricite, le supercondensateur asymétrique par rapport au carbone qui rapportait une capacité spécifique de 40 F g−1 lorsque 1 M de NaPF6 dans EC/DMC était utilisé comme électrolyte et que la plage de tension était de 0 à 3 V21.