Les batteries à semi-conducteurs au sodium sans anode pourraient réduire la dépendance au « triangle du lithium »

Les nombreuses façons de fabriquer une batterie

Les fabricants de batteries innovent constamment dans une course pour créer la meilleure technologie. Ces dernières années, cette tendance a été motivée par l’incitation à conquérir le marché en constante croissance des véhicules électriques et le marché naissant, mais en croissance encore plus rapide, des batteries à grande échelle.

Une fois construites sur la technologie lithium-ion, les batteries regardent au-delà de cette conception pour résoudre les problèmes du Li-ion : trop cher, utilisation de métaux rares, risques d'incendie, etc.

Source: researchgate

L’une de ces alternatives est le sodium-ion, qui utilise du sodium au lieu du lithium au prix d’une densité énergétique plus faible.

Une autre alternative est celle des batteries à semi-conducteurs. En supprimant le besoin d’électrolytes, ils peuvent être plus denses et, par conséquent, en nécessiter moins pour les mêmes performances EV. Les batteries à semi-conducteurs devraient également être beaucoup plus rapides à charger.

D’autres approches plus audacieuses ne modifient pas simplement la chimie mais la structure de la batterie elle-même. Notamment, les batteries sans anode enlèvent entièrement une partie de la batterie.

Les chercheurs cherchent désormais à combiner ces approches, notamment avec la publication récente d'une conception pour la première batterie à l'état solide au sodium sans anode au monde.

Batterie à semi-conducteurs au sodium sans anode

Publié dans Nature Energy sous le titre «Principes de conception pour permettre une batterie tout solide au sodium sans anode», les chercheurs de l’Université de Californie et de l’Université de Chicago ont non seulement créé une batterie à semi-conducteurs, mais une batterie utilisant du sodium au lieu du lithium, et sans même d’anode.

Batterie au sodium

Le sodium est un ion très abondant, présent en quantités quasi illimitées dans l'océan, et 1,000 XNUMX fois plus abondant sur la croûte terrestre que le lithium. Il constitue donc une excellente alternative au lithium.

C’est important car le lithium se heurte à plusieurs limites en raison du boom des véhicules électriques :

• C’est trop cher, ce qui rend l’électrification elle-même trop coûteuse.
• Son extraction est dommageable pour l’environnement.
• Produit uniquement dans quelques endroits dans le monde et principalement raffiné en Chine, ce qui entraîne des risques géopolitiques.

En raison de son omniprésent et de son abondance, il est très peu probable que le sodium connaisse un jour l’instabilité des prix et la pénurie que le lithium a connues ces dernières années.

Le problème est que les batteries au sodium ne sont généralement pas assez denses pour rivaliser avec les batteries au lithium, à l’exception des modèles EV à bas prix.

Batterie sans anode

Normalement, une batterie possède une anode qui stocke les ions pendant la charge. Ils retournent ensuite vers la cathode lorsque la batterie libère son énergie.

Les batteries sans anode stockent les ions dans un dépôt électrochimique de métal alcalin directement sur le collecteur de courant.

Cela permet une tension de cellule plus élevée, un coût de cellule inférieur et une densité énergétique accrue.

Source: Université de Chicago

Le problème avec une conception sans anode est que le collecteur de courant a tendance à voir un dépôt d’électrolyte liquide s’accumuler, ce qui entraîne un endommagement de la batterie.

Batterie à semi-conducteurs

On s’attend depuis longtemps à ce que les batteries à semi-conducteurs soient la forme « finale » de stockage d’énergie sur batterie, en particulier pour les applications nécessitant une mobilité à très haute densité.

Le retrait de l'électrolyte réduit le poids total de la batterie et rend la batterie très rapide à charger et à décharger.

Le problème avec ces conceptions est généralement de parvenir à avoir un système suffisamment solide, car les métaux ont tendance à gonfler lors de la charge.

De plus, la question de la croissance des dendrites pouvant créer des raccourcis (et donc des incendies) se profile toujours en arrière-plan, comme avec les batteries lithium-ion.

Sodium solide sans anode

Dans le contexte d’une conception sans anode, un problème supplémentaire est qu’un électrolyte solide classique ne peut pas interagir correctement avec le collecteur de courant.

Les chercheurs ont résolu ce problème en utilisant de la poudre d’aluminium comme collecteur de courant, un solide pouvant s’écouler comme un liquide.

Source: Université de Chicago

De nombreux avantages

En étant solide, l’électrolyte d’aluminium évite également la formation de dendrites, principale cause de la durée de vie trop courte des batteries à semi-conducteurs.

Il offre également une interface stable et évite de voir une partie du sodium inaccessible au courant ce qui réduirait la capacité de la batterie.

Enfin, elle permet une densité énergétique élevée, avec les différentes options pour cette batterie sodium-solide allant toutes dans la densité de 200 à 400 Wh/kg.

Source: Université de Chicago

Bien que ce soit un peu inférieur à celui des batteries à semi-conducteurs au lithium, il reste beaucoup plus puissant que les batteries actuellement utilisées. Combiné avec l’économie de matériaux beaucoup moins chers, le sodium et l’aluminium remplaçant le lithium, le cobalt et le nickel, cela pourrait constituer une combinaison gagnante.

Le pouvoir de la combinaison

Il y a quelques années encore, l’idée des batteries au sodium, ou batteries sans anode, n’était qu’un concept dont beaucoup doutaient qu’il atteigne un stade commercial. La même chose peut être dite pour les batteries à semi-conducteurs.

Cela change rapidement pour chacune de ces catégories, ainsi que pour de nombreuses autres chimies et conceptions potentielles que nous avons explorées dans nos articles.L’avenir du stockage d’énergie – Technologie des batteries à l’échelle industrielle" et "L’avenir de la mobilité – Battery Tech ».

Il semble que nous entrions dans une nouvelle étape, où les chercheurs examinent désormais tous ces concepts de batteries désormais éprouvés et commencent à les fusionner.

Étonnamment, cela pourrait aider à surmonter les limites individuelles de chaque idée.

Dans cet exemple, les problèmes de dendrite des batteries à semi-conducteurs et le problème de dépôt sur le collecteur de courant de la conception sans anode sont résolus en utilisant de la poudre d'aluminium.

La poudre d'aluminium seule sur une conception sans anode donnerait toujours une densité trop faible.

La poudre d'aluminium contenue dans les batteries à semi-conducteurs ne serait pas assez bon marché sans l'utilisation de sodium.

Pendant ce temps, le sodium seul est bon marché mais pas assez dense pour répondre aux besoins de mobilité.

Il semble donc que la combinaison de différents éléments de conception puisse aider à réunir leurs avantages respectifs tout en supprimant ou au moins en atténuant leurs problèmes individuels, créant ainsi un ensemble d'opportunités futures beaucoup plus large qu'on ne le pensait pour les chimies de batteries innovantes.

Entreprises de batteries au sodium

1. CATL

CATL est le leader mondial de la fabrication de batteries, produisant plus de la moitié du volume mondial de batteries. L'entreprise est présente à chaque étape de la chaîne d'approvisionnement de fabrication de batteries et est un leader dans la technologie des batteries.

C’est le cas des batteries lithium-ion, pour lesquelles l’entreprise est depuis longtemps un leader reconnu. CATL a également annoncé des progrès impressionnants sur plusieurs autres types de batteries :

• Une batterie ultra longue durée de 12,000 18,000 cycles pour le stockage d’énergie à l’échelle industrielle, avec XNUMX XNUMX cycles comme objectif à long terme.
• Une batterie LFP (Lithium Ferrum Phosphate) de 700 km chargeant 400 km d’autonomie en 10 minutes.
• Un 500 Wh/kg, permettant potentiellement l'électrification des avions de ligne.
• Production en série de batteries sodium-ion de 160 Wh/kg, avec un objectif de 200 Wh/kg.

Source: CATL

La société devient active sur le marché des batteries à grande échelle, avec l'annonce des performances de son système TENER. C'est "le premier système de stockage d'énergie productible en série au monde avec une dégradation nulle au cours des cinq premières années d'utilisation à Pékin, en Chine ».

Une énergie immense dans un espace compact : un conteneur de 20 pieds d'une capacité de 6.25 MWh

S'appuyant sur des technologies de pointe et des capacités de fabrication extrêmes, CATL a résolu les défis posés par les métaux lithium hautement actifs dans les batteries sans dégradation, ce qui aide efficacement à prévenir l'emballement thermique provoqué par les réactions d'oxydation.

CATL a également investi 3.25 milliards dans des capacités de recyclage de batteries en Chine. CATL a notamment atteint un taux de récupération remarquable de 99.6 % pour le nickel, le cobalt, le manganèse et 91 % pour le lithium.

Grâce à son envergure, son orientation et ses réalisations en R&D, CATL est susceptible d'être à la pointe de l'innovation, de la fabrication et du recyclage des batteries. Cela en fait un partenaire clé pour les constructeurs de véhicules électriques, notamment Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.

2. BYD

Challenger de longue date de Tesla sur le marché des véhicules électriques, BYD est devenu un concurrent sérieux non seulement pour Tesla mais pour pratiquement tous les constructeurs automobiles.

L'entreprise a évolué depuis son origine en tant que fournisseur de batteries de téléphone de vendre presque autant de véhicules électriques que Tesla en Chine (le plus grand marché de véhicules électriques au monde) et d'être le véhicule électrique le plus vendu en Thaïlande, en Suède, en Australie, en Nouvelle-Zélande, à Singapour, en Israël et au Brésil.

BYD est en grande partie responsable de la soudaine ascension de la Chine au rang de premier exportateur automobile mondial en 2023, dépassant le Japon. L'expansion dynamique de l'entreprise à l'étranger est également portée par la construction de nouvelles usines. comme en Hongrie.

Et avec la sortie de voitures de 10,000 12,000 à XNUMX XNUMX dollars comme la Seagul, utilisant des batteries au sodium, un tout nouveau marché pourrait s'ouvrir pour les véhicules électriques BYD.

Source : Par User3204 – Travail personnel, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Toujours à l'origine fabricant de batteries, BYD est un sérieux challenger de CATL sur le marché des batteries LFP, avec une part de marché de 41.1 % en Chine (contre 33.9 % pour CATL).

Le « flot » de véhicules électriques bon marché produits par BYD sur les marchés européens et américains risque de se heurter à un certain niveau de protectionnisme (même au-delà des tarifs récemment imposés), ce qui pourrait entraver la croissance de BYD.

Mais dans le même temps, les véhicules électriques chinois bon marché connaissent déjà un grand succès dans le reste du monde, qui n’a pas beaucoup d’opérateurs historiques à protéger en termes de constructeurs automobiles nationaux, notamment l’ensemble de l’Amérique du Sud, la Russie, l’Afrique et le Moyen-Orient. et en Asie du Sud-Est.

Cela représente plusieurs milliards de clients potentiels pour BYD, vivant dans des pays désireux de trouver un équilibre géopolitique et de rester en bons termes avec l’Occident et la Chine, et il est donc peu probable que cela crée des barrières protectionnistes trop fortes.

Et même dans l'UE ou aux États-Unis, BYD pourrait rester compétitif, grâce aux prix beaucoup plus élevés des fabricants locaux de véhicules électriques par rapport aux prix en Chine, ainsi qu'à la localisation de la production hors de Chine pour ces marchés, comme par exemple celui de Europe de l'Est, Mexique ou Turquie.