Accumulateur sodium-ion

Un accumulateur sodium-ion (ou batterie sodium-ion) est un type d'accumulateur électrique, utilisant un sel de sodium pour stocker de l'énergie électrique.

Cette batterie pourrait être une alternative moins chère aux accumulateurs lithium-ion.

Principes

Comme toutes les batteries, la batterie sodium-ion stocke de l'énergie électrique via des liaisons chimiques qui peuvent se faire et se défaire côté anode. Quand la batterie est en charge des ions Na+ se « désintercalent » et migrent vers l'anode. Durant le temps d'équilibrage de charge, des électrons migrent de la cathode vers l'anode à travers le circuit externe contenant le chargeur. Lors de la décharge le processus s'inverse[1].

Les matériaux d’électrode positive

Un matériau d'électrode positive pour les batteries sodium-ion est un matériau qui peut réagir de manière réversible avec le sodium à un potentiel haut et présentant une capacité spécifique élevée. La réversibilité est importante afin que de nombreux cycles puissent être réalisés sans perte de capacité.

Phosphates

Les phosphates constituent une famille de matériaux très étudiée en tant que matériau d'électrode positive pour les batteries sodium-ion. L'avantage de ces matériaux est que les ions polyatomiques PO43− ont un fort effet inductif sur le métal de transition, ce qui diminue l'énergie de transition du couple redox du métal et par conséquent crée un potentiel électrochimique élevé. Ils sont de plus très stables[2]. Les matériaux dits NASICON  (Na superionic conductor) ont une formule AxMM’(XO4)3. Leur comportement et leur structure sont bien connus car ils ont longtemps été étudiés comme électrolytes solides (notamment pour les systèmes sodium-air et sodium-soufre). Delmas et al. ont tout d'abord démontré que NaTi2(PO4)3 pouvait être électrochimiquement actif de façon réversible avec le sodium[3],[4]. Na3V2(PO4)3 a été testé récemment et montre 2 paliers à 1,63 et 3,40 V correspondant respectivement aux transitions V2+/V3+ et V3+/V4+[5]. La capacité spécifique est d'environ 60 mAh/g pendant 50 cycles. À la suite de cela, de nombreuses publications sur ce matériau[6], ou sur des composés qui s'en rapprochent avec un métal de transition différent[7], montrent qu'il était possible d'améliorer leurs caractéristiques. Ainsi, Saravanan et al. ont réussi à obtenir, avec ce matériau, une capacité spécifique supérieure à 40 mAh/g pendant plus de 10 000 cycles[8]. Le fait que ce matériau fonctionne sur deux plateaux de potentiels distincts de près de 2 V a permis le développement de batteries symétriques tout-solide[9].

Coûts

Ses promoteurs espèrent qu'une fois produite en masse, elle sera beaucoup moins chère que son alternative à base de lithium, du fait du faible coût du sodium[2],[10] et d'un assemblage plus simple[3],[11].

Le sodium est beaucoup plus abondant que le lithium : on trouve 2,6 % de sodium dans la croûte terrestre, contre 0,06 % de lithium ; de plus, le sodium se trouve partout sur la planète, notamment dans l'eau de mer, sous forme de chlorure de sodium (NaCl) alors que les ressources en lithium sont très localisées dans quelques régions du globe : Argentine, Chili et Bolivie détiennent les deux tiers des ressources mondiales[12].

La combinaison des deux technologies (sodium et lithium) pourrait peut-être permettre de produire des batteries très efficientes et moins chères[4],[13].

Recherche et développement

En 2007, des cellules sodium-ion se sont montrées capables d'entretenir une tension de 3,6 volts (pour 115 Ah/kg) après 50 cycles de charge/décharge, soit une énergie spécifique à la cathode équivalent à environ 400 Wh/kg[14], mais leur performance pour ce qui est du nombre de cycles n'atteint pas à ce jour celles des batteries de type non-aqueux Li-ion commercialisées.

Les recherches à l'université de Tokyo ont conduit à un prototype en [5],[15].

En 2014, Aquion énergie a réussi à produire une batterie hybride lithium-ion / sodium-ion commercialement disponible avec un coût et des capacités (en kWh) semblables à ceux d'une batterie plomb-acide, et pouvant être utilisée comme source d'alimentation de secours pour des micro-réseaux électriques (microgrids)[6],[16]. Malgré ces résultats prometteurs, Aquion a déposé son bilan en [17].

Une autre société (Faradion) produit une gamme de matériaux « sodium-ion » à faible coût, qui sont une alternative aux technologies lithium-ion. Contrairement aux batteries sodium-soufre[7], des batteries aux ions sodium peuvent être portables et fonctionner à température ambiante (environ 25 °C). Par rapport aux modèles « lithium-ion », les accumulateurs sodium-ion offrent aussi des fonctionnalités améliorées en matière de sécurité et de transport. Faradion affirme avoir amélioré le nombre de cycles de recharge complète d'un accumulateur Na-ion en utilisant une cathode en oxyde lamellaire[18].

Dans les batteries qui doivent rapidement se charger/décharger, les anode rigides posent problème : elles sont souvent trop fragiles pour résister aux cycles de rétractions/gonflements induits par les flux d'ions qui vont et viennent lors des cycles de charge/décharge. Une étude récente a montré que le remplacement de telles anodes par des anodes en bois recouvert d'étain pourrait être intéressant : les anodes souples de bois étamé ont ainsi résisté à plus de 400 cycles de charge. Après ces centaines de cycles, le bois ridé était presque intact. Les modèles informatiques indiquent que ces types de rides peuvent réduire efficacement le stress pendant la charge et la décharge. Les ions Na se déplacent à travers les parois des cellules fibreuses et diffuse au (Sn) surface du film d'étain[19],[20].

Une autre étude a testé la possibilité d'utiliser un composite MoS2/papier graphène comme une électrode, en réussissant à produire 230 Ah/kg avec un rendement de Faraday atteignant environ 99 %[21],[22],[23].

Fin 2015, le réseau français RS2E a présenté un prototype de batterie sodium-ion 18650 avec 90 Wh/kg, dont la durée de vie (nombre maximum de cycles de charge et de décharge) dépasse les 2 000 cycles[24].

En , la start-up Tiamat est créée pour concevoir, développer et produire cette batterie sodium-ion qui aurait plus de 10 ans d'espérance de vie contre 3-4 ans pour celles au lithium dans des conditions d'usage continu, et des charges et des recharges 10 fois plus rapides ; elle espère lancer la production à grande échelle d'ici 2020 ; les marchés visés sont le stockage stationnaire (stockage de masse des énergies renouvelables intermittentes, éolienne ou solaire) et le stockage mobile pour des véhicules électriques (bus rechargeables en fin de ligne, aux flottes de véhicules en location)[12]. En , Tiamat lève 3,6 millions d'euros pour finaliser la mise au point de ses batteries sodium-ion en testant ses prototypes directement chez ses clients ; une fois ces tests achevés, d'ici à dix-huit mois, elle pourra lancer la phase d'industrialisation en installant en 2020 un démonstrateur produisant les premières séries de batteries[25]. Fin 2019, Tiamat annonce des cellules pouvant être chargées en 5 minutes et ayant une durée de vie de 5 000 cycles (en gardant 80 % de leur capacité) mais une capacité inférieure de 40 % aux lithium-ion (en augmentation de 30 % sur les deux dernières années)[26],[27],[28].

En mai 2021, l'université Washington de Saint-Louis a développé une batterie sodium-ion sans anode qui aurait la même densité que les batteries lithium-ion, tout en étant moins chère et plus légère (du fait de l'absence d'anode)[29].

En juillet 2021, la fabricant de batteries chinois CATL (30 % du marché mondial) présente une nouvelle batterie sodium-ion qui offre une meilleure capacité de recharge et une stabilité thermique améliorée ; la densité énergétique reste toutefois limitée à 160 Wh/kg contre 285 Wh/kg pour une batterie au lithium. Mais CATL promet que la densité de ses batteries au sodium atteindra bientôt 200 Wh/kg. Du fait de ce manque de densité, la technologie sodium-ion pourrait mieux convenir aux véhicules de faible gabarit. CATL présente aussi une batterie mixte qui combine des cellules sodium-ion et des cellules lithium-ion afin de bénéficier des avantages de chaque technologie, l'ensemble étant contrôlé par un algorithme de précision. Le déploiement des batteries sodium-ion a déjà débuté et CATL compte les industrialiser à grande échelle dès 2023[30].

Commercialisation

Tiamat s’apprête à lancer la production de petites séries en 2020 avec une commercialisation prévue dans toute l’Europe. Ces batteries seront destinées aux applications nécessitant une forte puissance spécifique et une charge rapide : scooters et trottinettes électriques, ou stockage statique de l’électricité (de type powerwall), où le poids n’est pas vraiment un problème. En effet, Tiamat annonce une charge 10 fois plus rapide et une durée de vie beaucoup plus élevée, mais une densité d’énergie plus faible, donc un poids plus important, à capacité de stockage égale, que les batteries Li-ion[31].

Notes et références
  1. Zumdahl, Steven (3 December 2007). Chemical Principles. Cengage Learning. p. 495. (ISBN 0-618-94690-X).
  2. Palomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Hueso, K.B., Carretero-Gonzalez, J. and Rojo, T. Energy & Environmental Science, 2011, 5, 588
  3. Delmas, C., Nadiri, A. and Soubeyroux, J.L. Solid State Ionics, 1988, 28, 419.
  4. Delmas, C., Cherkaoui, F., Nadiri, A. and Hagenmuller, P. Materials Research Bulletin, 1987, 22, 631.
  5. Jian, Z., Zhao, L., Pan, H., Hu, Y.-S., Li, H., Chen, W. and Chen, L. Electrochemistry Communications, 2011, 14, 86.
  6. Jian, Z., Han, W., Lu, X., Yang, H., Hu, Y.-S., Zhou, J., Zhou, Z., Li, J., Chen, W., Chen, D. and Chen, L. Advanced Energy Materials, 2013, 3, 156.
  7. Chihara, K., Kitajou, A., Gocheva, I.D., Okada, S. and Yamaki, J.-I. Journal of Power Sources, 2012, 227, 80.A536-A543.
  8. Saravanan, K., Mason, C.W., Rudola, A., Wong, K.H. and Balaya, P. Advanced Energy Materials, 2012, 3, 244.
  9. Noguchi, Y., Kobayashi, E., Plashnitsa, L.S., Okada, S. and Yamaki, J.-i. Electrochimica Acta, 2013, 101 59. [18] Plashnitsa, L.S., Kobayashi, E., Noguchi, Y., Okada, S. and Yamaki, J.-i. Journal of The Electrochemical Society, 2009, 157, A536-A543.
  10. Bullis, Kevin (December 2, 2009). « Sodium-Ion Cells for Cheap Energy Storage ». Technology Review.
  11. « Aquion Energy : une batterie « salée » pour stocker les énergies renouvelables », sur cleantechrepublic.com, (consulté le ).
  12. Une start-up pour des batteries de plus en plus rapides, CNRS, 23 novembre 2017.
  13. Ellis, B. L., Makahnouk, W. R. M., Makimura, Y., Toghill, K. et Nazar, L. F., « A multifunctional 3.5V iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries », Nature Materials, no 6 (10),‎ , p. 749–53 (PMID 17828278, DOI 10.1038/nmat2007, lire en ligne, consulté le ).
  14. Ellis, B. L.; Makahnouk, W. R. M.; Makimura, Y.; Toghill, K.; Nazar, L. F. (2007). "A multifunctional 3.5V iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries". Nature Materials 6 (10): 749–53. doi:10.1038/nmat2007. PMID 17828278
  15. « Des batteries sodium pour remplacer le lithium-ion ? », sur cnetfrance.fr, (consulté le ).
  16. Kevin Bullis, « A Battery to Prop Up Renewable Power Hits the Market », sur MIT Technology Review, (consulté le ).
  17. James Ayre, « Aquion Energy Files For Chapter 11 Bankruptcy », sur Clean Technica, .
  18. J. Barker, R.J. Heap, N. Roche, C. Tan, R. Sayers et Y. Lui, « Low Cost Na-ion Battery Technology », sur Faradion Limited, (consulté le ).
  19. « A battery made of wood: long-lasting, efficient, environmentally friendly », sur KurzweilAI, (consulté le ).
  20. Zhu, H., Jia, Z., Chen, Y., Weadock, N., Wan, J., Vaaland, O., Han, X., Li, T. et Hu, L., « Tin Anode for Sodium-Ion Batteries Using Natural Wood Fiber as a Mechanical Buffer and Electrolyte Reservoir », Nano Letters, no 13 (7),‎ , p. 3093–100 (PMID 23718129, DOI 10.1021/nl400998t, lire en ligne, consulté le ).
  21. « Indian-origin develops paper electrode for sodium-ion battery », sur The Economist Times, (consulté le ).
  22. David, L., Bhandavat, R. et Singh, G., « MoS2/Graphene Composite Paper for Sodium-Ion Battery Electrodes », ACS Nano, vol. 8, no 2,‎ , p. 1759–70 (DOI 10.1021/nn406156b).
  23. Johnson, D., « Graphene Composite Offers Critical Fix for Sodium-ion Batteries », IEEE Spectrum Nanoclast, .
  24. « Batterie : le sodium pour remplacer le lithium ? », sur Clubic, (consulté le ).
  25. Guillaume Roussange, « Tiamat lève 3,6 millions d'euros pour industrialiser ses batteries sodium-ion », Les Échos, .
  26. Sophie Hoguin, « Les batteries sodium-ion passent le cap de l’industrialisation », sur Techniques de l'ingénieur, (consulté le ).
  27. Yves Maroselli, « Batterie sodium-ion : l'avenir de la voiture électrique ? », Le Point, (consulté le ).
  28. « Batterie sodium-ion : pour se libérer du cobalt et du lithium », sur Le Moniteur automobile (consulté le ).
  29. (en) Brandie Jefferson, « Bai lab develops stable, efficient, anode-free sodium battery », sur université Washington de Saint-Louis, .
  30. CATL présente une batterie sodium-ion très prometteuse, automobile-propre.com, 30 juillet 2021.
  31. Batteries et véhicules électriques : l’essentiel de l’actu – Novembre 2019, automobile-propre.com, 12 novembre 2019.
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