Batteries au sel européennes
- h2worlddaa
- 30 mars
- 7 min de lecture
Dernière mise à jour : 2 avr.
Les batteries sodium-ion (SIB) s'imposent comme une alternative durable et abordable aux batteries lithium-ion. Après des années de recherche et développement, elles offrent la possibilité de transformer les batteries du futur en matière de stockage d'énergie.
Une brève histoire des batteries sodium-ion
Les batteries sodium-ion (SIB) représentent une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion (LIB) ;
L'ion sodium est un bon candidat pour le stockage d'énergie pour plusieurs raisons. Le sodium est beaucoup moins cher et 1 000 fois plus abondant sur Terre que le lithium. De plus, les cathodes disponibles utilisent des matériaux abondants sur Terre, évitant ainsi les risques liés à la chaîne d'approvisionnement du nickel et du cobalt dans les batteries lithium-ion. La chimie de l'ion sodium repose sur l'intercalation, tout comme celle des batteries sodium-ion ; les ions sodium circulent entre l'anode et la cathode, transportant charge et énergie. Leur similitude avec les batteries sodium-ion en termes de mécanique, de performances et de fabrication a simplifié le transfert de connaissances et accéléré le développement et la commercialisation. Les batteries sodium-ion actuelles présentent une densité énergétique inférieure à celle des batteries lithium-ion, ce qui en fait un candidat de choix pour les systèmes de stockage d'énergie stationnaires à grande échelle.
Les cathodes lithium-ion et sodium-ion ont été découvertes à peu près au même moment. Cependant, la recherche sur les ions sodium a été freinée par l'absence d'anode d'intercalation adaptée. Vers 2000, la découverte du carbone dur (HC) comme matériau d'anode a relancé l'intérêt pour les SIB. Les années 2010 ont connu une croissance rapide, probablement due à la recherche d'alternatives aux LIB, ce qui a conduit au développement de nouveaux matériaux de cathode, à l'assemblage complet de cellules et à la création de plusieurs startups axées sur la commercialisation. Les premiers SIB cylindriques 18650 ont été assemblés en 2015 avec une cathode Na3V2(PO4)2F3 (NVPF) et une anode HC grâce à la collaboration de plusieurs institutions au sein du Réseau français de stockage électrochimique (R2SE). Les efforts de commercialisation ont abouti à des cellules en sachet de 1 à 5 Ah de Faradion, première entreprise à commercialiser des SIB, à une déclaration de 10 000 SIB produits par Tiamat, la startup issue de R2SE, et à une demande croissante de SIB pour la commercialisation de batteries lithium-ion. et l'annonce d'une installation de batteries de 100 kWh pour l'arbitrage énergétique par la société chinoise HiNa. La modélisation basée sur la physique peut jouer un rôle unique et important dans le développement continu des SIB.
Le premier modèle pseudo-bidimensionnel (P2D) basé sur la physique pour les batteries sodium-ion a été publié en 2022 par Chayambuka et al. Ce modèle utilise le cadre généralisé du modèle P2D de Doyle-Fuller-Newman pour les batteries lithium-ion, qui prédit les performances et la dynamique des batteries à intercalation. Les travaux de modélisation ont été couplés à des expériences sur une batterie au sodium avec une cathode composée de particules de NVPF, une anode en HC et un électrolyte NaPF6 EC 0,5 : PC 0,5 (p/p) 1 M. La réaction pour le NVPF est la suivante :
Na3VIII2(PO4)2 <--> F3 NaVIV2 (PO4)2F3 + 2Na+ + 2e−
où 2 Na+ sont transférés par unité de NVPF, ce qui donne une capacité de 128 mAh/g. Le HC est un carbone non graphitique à la structure complexe : il possède des couches de type graphène au sein d'une phase microporeuse amorphe. Le transfert de charge se produit par adsorption sur les couches de graphène et remplissage des méso- et nanopores. De nombreux mécanismes sont proposés pour le HC, qui peuvent dépendre du précurseur et des propriétés structurelles, et cela reste un domaine de recherche actif. La capacité spécifique du HC est d'environ 300 mAh/g, similaire à celle du graphite dans les LIB.
La paramétrisation des modèles peut s'avérer difficile et complexe, mais elle reste essentielle pour garantir la précision des modèles de batterie. Pour créer un ensemble de paramètres de base expérimentalement prédictifs, les auteurs du modèle SIB P2D ont utilisé des techniques expérimentales et des estimations de paramètres sur des données GITT et des données cycliques de demi-cellules et de cellules entières, ainsi que des mesures d'électrolytes et des simulations de mécanique statistique pour les propriétés de transport. Le schéma de la batterie sodium-ion est présenté dans la figure ci-dessus, tirée directement de leurs travaux. Un montage à trois électrodes avec une électrode de référence Na-ion a été utilisé pour mesurer les tensions individuelles des électrodes, et la sortie du modèle a été optimisée sur cette électrode plutôt que sur la tension totale de la batterie afin de minimiser les erreurs. Les paramètres pertinents et les détails du processus sont disponibles dans leurs articles expérimentaux et de modélisation (références 1 et 2).
Ces travaux mettent en évidence la puissance des modèles physiques correctement paramétrés ; les prédictions du modèle pour des vitesses comprises entre 0,1 °C et 1,4 °C présentaient une erreur inférieure à 2 % par rapport aux courbes expérimentales et une erreur absolue inférieure à 50 mV. Les auteurs ont constaté que la résistance de contact devient importante à des vitesses plus élevées pour des prédictions précises. De plus, les performances à grande vitesse étaient entravées par un faible transport de masse dans les électrodes et l'électrolyte. Les résultats suggèrent que la réduction de la taille des particules dans l'électrode HC améliorerait les performances à grande vitesse, tandis que la diffusion dans les particules NVPF limiterait le transport de masse.
La figure ci-dessous reproduit l'étude du taux C de Chayambuka et al.
Le marché des batteries sodium-ion évolue rapidement, les entreprises leaders innovant pour répondre à la demande croissante de solutions énergétiques durables. Cette évolution répond au besoin croissant d'alternatives aux batteries lithium-ion traditionnelles. D'ici 2033, le marché mondial des batteries sodium-ion devrait passer de 438 millions de dollars en 2024 à plus de 2 milliards de dollars, avec un taux de croissance annuel composé de 21,68 %. Voici les principales entreprises de batteries sodium-ion en 2025 :
Altris AB
L'entreprise suédoise Altris AB a lancé une cellule de batterie sodium-ion de taille commerciale offrant une densité énergétique comparable à celle des batteries lithium-ion LFP. En s'associant à Clarios pour les applications automobiles basse tension et à Polarium pour le stockage d'énergie, Altris AB est pionnière dans l'adaptation pratique des batteries sodium-ion.
Alors que le marché des batteries sodium-ion évolue, ces six entreprises sont à l'avant-garde grâce à des innovations et des partenariats révolutionnaires. Leurs technologies promettent des solutions énergétiques durables, ouvrant la voie à un avenir moins dépendant des batteries lithium-ion..
TIAMAT , Basée en France, TIAMAT développe des batteries sodium-ion adaptées à la mobilité et au stockage d'énergie stationnaire. Leurs batteries se distinguent par leur capacité de charge en seulement cinq minutes et leurs normes de sécurité élevées. TIAMAT a récemment levé 30 millions d'euros pour implanter en France une usine capable de produire 5 GWh de batteries sodium-ion par an.
Northvolt fait sensation avec une batterie sodium-ion dont la densité énergétique dépasse 160 Wh/kg. Cette entreprise suédoise fabrique des batteries sans recourir à des métaux critiques. Elle utilise plutôt des matériaux abondants et peu coûteux, rendant ses solutions à la fois abordables et durables.
Faradion Limited, une entreprise britannique, est spécialisée dans la technologie des batteries sodium-ion non aqueuses. Ces batteries sont conçues pour des applications de forte puissance telles que les véhicules électriques et le stockage d'énergie. Les produits Faradion se distinguent par leur longue durée de vie et leur capacité à fonctionner sur une large plage de températures.
Petites usines pilotes et grands projets
Actuellement, la plupart des usines pilotes sont en service et quelques usines plus petites démarrent, ne produisant que quelques gigawattheures (GWh) de batteries sodium-ion par an, mais les capacités annoncées publiquement par divers fabricants de matières premières et de batteries s'élèvent à bien plus de 100 GWh d'ici 2030. Une capacité nettement supérieure à celle financée jusqu'à présent pourrait être développée d'ici 2025 si des investisseurs sont trouvés en 2024. La prédiction d'une conversion radicale d'une grande partie de l'industrie vers une nouvelle technologie en quelques années peut paraître audacieuse, mais au cours des cinq dernières années seulement, cela s'est produit à deux reprises dans l'industrie des batteries avec le NMC811 et le LFP. Le sodium-ion ne nécessite pratiquement aucune nouvelle technologie d'usine, seulement des matières premières et des paramètres de production différents.
Des économies significatives par rapport au LFP sont initialement peu probables
Il n'existe actuellement aucune technologie de batterie rentable offrant une densité énergétique comparable à celle des batteries plomb-acide et lithium-ion. Selon une étude d'IDTechEx, le coût moyen des cellules de batterie sodium-ion est de 87 $/kWh, compte tenu des différentes compositions chimiques. D'ici la fin de la décennie, le coût de fabrication des cellules de batterie sodium-ion, principalement à base de fer et de manganèse, devrait atteindre un plancher d'environ 40 $/kWh, et avoisiner les 50 $/kWh au niveau du pack. Les cellules sodium-ion devraient initialement être plus chères, mais IDTechEx prévoit une baisse du rapport coût/prix à court terme grâce aux gains d'efficacité de production, aux gains d'échelle et au développement technologique. Cependant, la réduction des coûts à long terme devient plus difficile à mesure que la technologie et la fabrication gagnent en maturité.
Le sodium n’est pas la fin du lithium
Pour la plupart des véhicules électriques, la densité énergétique volumique est la priorité absolue, car plus une cellule de batterie occupe d'espace pour une densité énergétique donnée, moins il y a de cellules sous le véhicule, ce qui limite l'autonomie. Pour le stockage sur réseau, l'espace occupé par les packs de batteries n'affecte pas leur viabilité commerciale ; la priorité est le coût par kWh par cycle. Le stockage d'énergie commercial repose sur la maîtrise des coûts, et c'est là que les batteries sodium-ion peuvent potentiellement dominer les autres chimies. Le potentiel des batteries sodium-ion dans les transports est le plus important là où la densité énergétique des batteries lithium n'est pas pleinement exploitée. Cela inclut la quasi-totalité des voitures électriques à autonomie dite standard, c'est-à-dire dont la capacité est réduite par rapport aux modèles plus coûteux de même conception. Dans ce cas, les batteries sodium, offrant des vitesses de charge plus rapides et une perte de capacité plus faible à basse température, pourraient constituer une alternative très intéressante. Surtout, grâce à cette technologie alternative de stockage d'énergie, les batteries lithium seront disponibles là où elles sont véritablement indispensables.
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