Les batteries à état solide au sodium sans anode pourraient réduire la dépendance au « Triangle du lithium »

Les multiples façons de fabriquer une batterie

Les fabricants de batteries innovent sans cesse pour mettre au point la meilleure technologie. Ces dernières années, cette course a été stimulée par le marché croissant des véhicules électriques et celui, naissant mais encore plus dynamique, du stockage à grande échelle pour les réseaux électriques.

Initialement centrées sur le lithium-ion, les recherches explorent désormais d’autres conceptions pour résoudre ses problèmes : coût élevé, métaux rares, risques d’incendie, etc.

Source: Research Gate

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 solution est la batterie à électrolyte solide. En supprimant le besoin d’électrolytes, elle peut offrir une densité supérieure et nécessiter moins de batteries pour les mêmes performances d’un véhicule électrique. Elle devrait également se recharger beaucoup plus vite.

D’autres approches plus audacieuses ne modifient pas seulement la chimie mais la structure même de la batterie. Notamment, les batteries sans anode éliminent complètement une partie de la batterie.

Les chercheurs cherchent désormais à combiner ces approches, comme l’illustre la publication récente d’une conception de la première batterie sodium tout-solide sans anode au monde.

Batterie sodium tout-solide sans anode

Dans une étude publiée dans Nature Energy sous le titre «Principes de conception pour réaliser une batterie sodium tout-solide sans anode», des chercheurs de l’Université de Californie et de l’Université de Chicago ont créé une batterie à électrolyte solide qui utilise du sodium plutôt que du lithium et ne comporte même pas d’anode.

Batterie au sodium

Le sodium est extrêmement abondant, présent en quantités pratiquement illimitées dans l’océan et mille fois plus abondant que le lithium dans la croûte terrestre. C’est donc une alternative intéressante au lithium.

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

• Il est trop cher, rendant l’électrification elle‑même trop coûteuse.
• Son extraction est néfaste pour l’environnement.
• Produit seulement dans quelques endroits du monde et principalement raffiné en Chine, ce qui engendre des risques géopolitiques.

Étant donné qu’il est si omniprésent et abondant, il est très improbable que le sodium subisse jamais l’instabilité des prix et la pénurie que le lithium a connues ces dernières années.

Le problème est que les batteries sodium-ion n’ont généralement pas une densité énergétique suffisante pour concurrencer celles au lithium, sauf dans les véhicules électriques bon marché.

Batterie sans anode

Normalement, une batterie possède une anode qui stocke les ions pendant la charge. Ceux-ci reviennent vers la cathode lorsque la batterie restitue son énergie.

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

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

Source: University Of Chicago

Le problème d’un design sans anode est que le collecteur de courant a tendance à accumuler un dépôt provenant de l’électrolyte liquide, ce qui endommage la batterie.

Batterie à électrolyte solide

Les batteries à électrolyte solide sont depuis longtemps considérées comme la forme « ultime » du stockage sur batterie, surtout pour la mobilité nécessitant une très forte densité énergétique.

Supprimer l’électrolyte réduit le poids total de la batterie et la rend très rapide à charger et à décharger.

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

De plus, le problème de la croissance de dendrites pouvant créer des courts‑circuits (et donc des incendies) plane toujours en arrière‑plan, comme avec les batteries lithium‑ion.

Sodium tout-solide sans anode

Dans 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 l’ont résolu en utilisant de la poudre d’aluminium comme collecteur de courant : c’est un solide qui peut s’écouler comme un liquide.

Source: University Of Chicago

De nombreux avantages

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

Il fournit également une interface stable et évite que du sodium ne devienne inaccessible au courant, ce qui réduirait la capacité de la batterie.

Enfin, il permet une haute densité énergétique, les différentes options pour cette batterie sodium‑état solide variant toutes entre 200 et 400 Wh/kg.

Source: University Of Chicago

Bien que cette densité soit légèrement inférieure à celle des batteries tout-solide au lithium, elle reste nettement supérieure à celle des batteries utilisées actuellement. Avec des matériaux bien moins chers, le sodium et l’aluminium remplaçant le lithium, le cobalt et le nickel, cela pourrait constituer une combinaison gagnante.

La puissance de la combinaison

Il y a quelques années encore, beaucoup doutaient que les batteries au sodium ou sans anode atteignent le stade commercial. Il en allait de même pour les batteries à électrolyte solide.

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 des services publics » et « L’avenir de la mobilité – Technologie des batteries ».

Nous semblons entrer dans une nouvelle phase : les chercheurs examinent ces concepts désormais démontrés et commencent à les combiner.

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

Dans cet exemple, les problèmes de dendrites des batteries à état solide et le problème de dépôt sur le collecteur de courant des conceptions sans anode sont résolus en utilisant de la poudre d’aluminium.

La poudre d’aluminium seule, dans une conception sans anode, donnerait encore une densité énergétique trop faible.

La poudre d’aluminium dans les batteries à état solide ne serait pas suffisamment bon marché sans l’utilisation du sodium.

Le sodium seul est bon marché, mais sa densité énergétique ne suffit pas aux besoins de mobilité.

Il semble donc que la combinaison de différents éléments de conception puisse rassembler leurs avantages respectifs tout en éliminant ou du moins atténuant leurs problèmes individuels, créant ainsi un ensemble beaucoup plus vaste d’opportunités futures pour des chimies de batteries innovantes que prévu auparavant.

Entreprises de batteries au sodium

1. CATL

CATL est le premier fabricant mondial de batteries, produisant plus de la moitié du volume mondial. Présente à chaque étape de la chaîne d’approvisionnement, l’entreprise est aussi une référence technologique.

Cela est vrai pour les batteries lithium‑ion, où l’entreprise est depuis longtemps un leader établi. CATL a également annoncé des progrès impressionnants sur plusieurs autres types de batteries :

• Une batterie à très longue durée de vie, de 12 000 cycles, pour le stockage destiné aux réseaux électriques, avec un objectif à long terme de 18 000 cycles.
• Une batterie LFP (lithium-fer-phosphate) offrant 700 km d’autonomie et récupérant 400 km en dix minutes de recharge.
• Une batterie de 500 Wh/kg, pouvant potentiellement permettre l’électrification des avions de ligne.
• Production de masse de batteries sodium‑ion de 160 Wh/kg, avec un objectif de 200 Wh/kg.

Source: CATL

L’entreprise est active dans le stockage pour les réseaux électriques, notamment avec son système TENER, présenté comme «le premier système de stockage d’énergie pouvant être produit en série, sans dégradation pendant les cinq premières années d’utilisation, à Pékin, en Chine ».

Une grande capacité dans un espace compact : conteneur de 20 pieds offrant 6,25 MWh.

Grâce à des technologies de pointe et à des capacités industrielles avancées, CATL a résolu les difficultés liées au lithium métallique très réactif dans les batteries sans dégradation, contribuant à prévenir l’emballement thermique dû aux réactions d’oxydation.

CATL a également investi 3,25 milliards dans ses capacités de recyclage de batteries en Chine. L’entreprise a notamment atteint des taux de récupération remarquables de 99,6 % pour le nickel, le cobalt et le manganèse, et de 91 % pour le lithium.

Grâce à sa taille, à sa spécialisation et à ses résultats en R&D, CATL devrait rester à l’avant-garde de l’innovation, de la fabrication et du recyclage. Elle est donc un partenaire clé des constructeurs de véhicules électriques, notamment Tesla (TSLA ), NIO, Ford et Stellantis.

2. BYD

Concurrent 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 est passée de la fourniture de batteries pour téléphones à des ventes de véhicules électriques presque aussi élevées que celles de Tesla en Chine, premier marché mondial. Elle est aussi devenue la marque électrique la plus vendue en Thaïlande, en Suède, en Australie, en Nouvelle-Zélande, à Singapour, en Israël et au Brésil.

BYD a largement contribué à faire de la Chine le premier exportateur automobile mondial en 2023, devant le Japon. Son expansion internationale rapide s’appuie aussi sur de nouvelles usines, comme en Hongrie.

Avec des voitures à 10 000–12 000 dollars comme la Seagull, utilisant des batteries au sodium, un nouveau marché pourrait s’ouvrir aux véhicules électriques de BYD.

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

Toujours fabricant de batteries au cœur de son activité, BYD concurrence sérieusement CATL sur les batteries LFP, avec une part de marché de 41,1 % en Chine, contre 33,9 % pour CATL.

L’afflux de véhicules électriques bon marché de BYD vers l’Europe et les États-Unis rencontrera probablement du protectionnisme, au-delà même des droits de douane récemment imposés, ce qui pourrait freiner sa croissance.

Mais en même temps, les VE chinois bon marché connaissent déjà un grand succès dans le reste du monde, qui ne possède pas beaucoup d’acteurs nationaux à protéger, y compris l’ensemble de l’Amérique du Sud, la Russie, l’Afrique, le Moyen‑Orient et l’Asie du Sud‑Est.

Cela représente plusieurs milliards de clients potentiels dans des pays qui souhaitent conserver un équilibre géopolitique et de bonnes relations avec l’Occident comme avec la Chine. Ces pays ont donc peu de raisons d’imposer 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 VE comparés aux prix en Chine, ainsi qu’à la localisation de la production hors de Chine pour ces marchés, par exemple en Europe de l’Est, au Mexique ou en Turquie.