Perspectives thermodynamiques et cinétiques sur le mécanisme de stockage du sodium dans des anodes en carbone dur dérivées de déchets biologiques pour les batteries sodium-ion.

Les batteries sodium-ion (SIB) sont des alternatives attrayantes aux batteries lithium-ion en raison de leur performance comparable, de leur sécurité améliorée et de leur dépendance réduite aux matières premières critiques. Le carbone dur (HC) est largement considéré comme l'anode la plus pratique pour les SIB ; cependant, les HC conventionnels souffrent encore d'une capacité réversible limitée, d'une mauvaise capacité de taux et d'un mécanisme de stockage de Na + incomplet. Nous étudions ici le HC dérivé de coquilles de noisettes synthétisé via un procédé durable de lavage à l'eau, en nous concentrant particulièrement sur les effets de la taille des particules et de la température de pyrolyse sur le comportement électrochimique. Nous démontrons que des tailles de particules plus petites améliorent la capacité réversible et la stabilité cyclique, tandis que des impuretés inorganiques à l'échelle nanométrique uniformément distribuées régulent l'évolution de la structure des pores dans le HC, améliorant ainsi le stockage de Na⁺. Une relation thermodynamique claire entre les capacités en pente et en plateau est identifiée. La diffraction des rayons X operando et la spectroscopie Raman ex-situ révèlent que le stockage de Na + se déroule par chimisorption dans la région en pente et par diffusion contrôlée de l'agglomération de Na dans des domaines pseudographitiques dans le plateau de basse tension, accompagné d'un désordre structurel réversible. La théorie de la fonctionnelle de densité et les simulations de dynamique moléculaire confirment en outre que Na + se chimisorbe préférentiellement aux couches de carbone désordonnées à des potentiels plus élevés et forme ensuite des clusters de Na semi-métalliques dans des nanopores adjacents aux couches pseudographitiques à des potentiels plus bas, étroitement liés aux espèces de Na + pré-adsorbées. Ces résultats fournissent des informations mécanistiques fondamentales sur le stockage de Na + dans le HC dérivé de la biomasse et offrent des directives claires pour optimiser les anodes HC en vue de SIB haute performance.