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

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Les multiples façons de fabriquer une batterie

Battery makers are constantly innovating in a race to make the best technology.  In recent years, this has been driven by the incentive to capture the ever-growing EV market and the nascent but even quicker-growing utility-scale battery market.

Initially based on lithium‑ion technology, batteries are now looking beyond this design to solve the issues of Li‑ion: too expensive, using rare metals, fire risks, etc.

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 les batteries à état solide. En éliminant le besoin d’électrolytes, elles peuvent être plus denses et, par conséquent, en nécessiter moins pour la même performance des véhicules électriques. Les batteries à état solide devraient également se charger beaucoup plus rapidement.

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 maintenant à combiner ces approches, notamment avec la récente publication d’un design de la première batterie à état solide au sodium sans anode au monde.

Batterie à état solide au sodium sans anode

Publié le in Nature Energy under the title ”Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery“, the researchers from the University of California and University of Chicago have not only created a solid-state battery, but one using sodium instead of lithium, and without even an anode.

Batterie au sodium

Sodium is a very abundant ion, virtually in unlimited amounts in the ocean, 1,000x more abundant on Earth’s crust than lithium. This makes it a very good alternative to 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 au sodium ne sont généralement pas suffisamment denses pour concurrencer les batteries à base de lithium, sauf pour les modèles de véhicules électriques à bas prix.

Batterie sans anode

Normally, a battery has an anode that stores the ions while the battery is charging. They then flow back toward the cathode when the battery is releasing its energy.

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.

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 état solide

Solid-state batteries have long been expected to be the “final” form of battery-based energy storage, especially for applications requiring very high-density mobility.

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 à état solide sans anode

In the context of an anode-free design, an additional issue is that a classical solid electrolyte cannot properly interact with the current collector.

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

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.

Bien que cela soit un peu inférieur aux batteries à état solide à base de lithium, c’est encore bien plus performant que les batteries actuellement utilisées. Combiné à l’économie de matériaux beaucoup moins chers, avec 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 encore quelques années, l’idée des batteries au sodium ou des batteries sans anode n’était qu’un concept que beaucoup doutaient de voir atteindre une phase commerciale. Il en va de même pour les batteries à état 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 ».

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

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 sur une conception sans anode donnerait encore une densité trop faible.

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

Par ailleurs, le sodium seul est bon marché mais pas assez dense pour répondre aux exigences 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 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 la fabrication de batteries et est un leader en technologie de batteries.

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 :

Source: CATL

L’entreprise s’active sur le marché des batteries à l’échelle des services publics, avec l’annonce des performances de son système TENER. Il s’agit de « le premier système de stockage d’énergie massivement produisible avec zéro dégradation pendant les cinq premières années d’utilisation à Pékin, Chine ».

Énergie immense dans un espace compact: conteneur de 20 pieds avec une capacité de 6,25 MWh

Propulsée par des technologies de pointe et des capacités de fabrication extrêmes, CATL a résolu les défis causés par les métaux lithium hautement actifs dans les batteries à zéro dégradation, ce qui aide efficacement à prévenir les phénomènes de surchauffe provoqués par les réactions d’oxydation.

CATL a également investi 3.25B in battery recycling capacities in China. CATL has notably achieved a remarkable recovery rate of 99.6% for nickel, cobalt, manganese, and 91% for lithium.

Grâce à son ampleur, son focus et ses réalisations en R&D, CATL est susceptible d’être à l’avant‑garde de l’innovation, de la fabrication et du recyclage des batteries. Cela en fait un partenaire clé pour les fabricants de véhicules électriques, dont Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.

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.

The company evolved from its origin as a phone battery supplier to selling almost as many EVs as Tesla in China (the world’s largest EV market) and being the best-selling EV in Thailand, Sweden, Australia, New Zealand, Singapore, Israel, and Brazil.

BYD is a large part of why China suddenly became the world’s largest car exporter in 2023, surpassing Japan. The company’s aggressive overseas expansion is also carried by new factories, like in Hungary.

And with the release of $10,000-$12,000 cars like the Seagul, using sodium batteries, a whole new market might open for BYD EVs.

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

Toujours au cœur de son activité, 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 « déluge » de VE bon marché produits par BYD sur les marchés européens et américains sera probablement confronté à un certain niveau de protectionnisme (même au-dessus des tarifs récemment imposés), ce qui pourrait freiner la croissance de BYD.

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 pour BYD, vivant dans des pays désireux de maintenir un équilibre géopolitique et de rester en bons termes tant avec l’Occident qu’avec la Chine, 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 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.

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Jonathan est un ancien chercheur en biochimie qui a travaillé dans l'analyse génétique et les essais cliniques. Il est maintenant un analyste boursier et écrivain financier avec un focus sur l'innovation, les cycles de marché et la géopolitique dans sa publication The Eurasian Century.