Tendances technologiques
Batterie sodium-ion : la nouvelle tendance du futur des véhicules électriques
juillet 19, 2021
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Arrière-plan
coût des batteries de véhicules électriques
Pourquoi les véhicules électriques ont besoin de meilleures batteries
Les véhicules électriques, notamment ceux qui utilisent des énergies renouvelables pour produire de l'électricité, sont perçus comme le modèle d'avenir qui contribuera à la protection du climat mondial. Cependant, pendant des années, les constructeurs automobiles ont utilisé du lithium, une matière première rare et relativement coûteuse, dans la fabrication des batteries, freinant ainsi l'adoption massive des véhicules électriques à l'échelle mondiale.
Bien que les voitures, les véhicules utilitaires et les vélos électriques soient en plein essor, leur utilisation reste limitée. Leurs prix élevés, la complexité des infrastructures de recharge et un processus de fabrication des batteries gourmand en matières premières freinent leur développement rapide.
Pour que les véhicules électriques soient largement accessibles, les constructeurs automobiles doivent introduire des batteries plus puissantes, plus durables, plus écologiques et plus abordables.
Du sodium à la place du lithium
Comparaison des matériaux
Du sodium à la place du lithium
Les batteries sodium-ion pourraient constituer une solution viable, et les récents développements dans ce domaine ont été étonnamment prometteurs. Dans un avenir proche, elles pourraient remplacer les batteries au lithium utilisées dans les véhicules électriques, les smartphones et les ordinateurs portables.
Le lithium et le sodium, deux métaux alcalins, possèdent des propriétés chimiques très similaires. Bien que le sodium ait une densité énergétique inférieure à celle du lithium, plus rare, il est plus facile à obtenir et relativement peu coûteux.
Des percées prometteuses
Avancement du prototype
Des percées prometteuses
Les performances des batteries sodium-ion accusent encore un retard d'environ 20 ans sur celles des batteries lithium. Cela s'explique par le fait que, ces dix dernières années, les chercheurs se sont concentrés exclusivement sur l'amélioration des performances des batteries lithium.
Aujourd'hui, on observe non seulement des publications scientifiques novatrices, mais aussi des prototypes très prometteurs. Selon un rapport publié en mai, une batterie sodium-ion développée en Corée du Sud a subi environ 500 cycles de charge complets avant que sa capacité ne chute à 80 % de sa capacité initiale.
Une autre batterie, mise au point par une équipe de recherche sino-américaine, permet environ 450 recharges pour une capacité identique. Une batterie sodium-ion de fabrication chinoise, bien que de capacité inférieure, conserve 70 % de sa capacité initiale après 1 200 cycles de charge rapide de 12 minutes.
Cela peut paraître anodin, mais en pratique, ces batteries pourraient supporter un plus grand nombre de cycles de recharge, car elles ne sont généralement pas rechargées après décharge complète au quotidien. Dans le cadre de cette expérience, décharger et recharger complètement la batterie l'userait davantage.
Le lithium, un élément métallique, est plus rare et plus cher, mais la plupart des batteries actuelles utilisent des batteries au lithium. Le graphique original présente les principaux pays en termes de réserves de lithium en 2019.
De plus, la technologie sodium-ion ne nécessite pas l'utilisation de ressources rares. Les sels de lithium, peu coûteux, ne sont pas nécessaires à la fabrication des cathodes ; le sel de table suffit. Les anodes performantes peuvent être fabriquées à partir de lignite, de bois et d'autres biomasses. Le cobalt et autres substances rares similaires ne sont pas requis dans le processus de production.
Recherche fondamentale
Graphène et ions sodium
Une percée dans la recherche fondamentale ?
Le sodium présente deux inconvénients : il pèse trois fois plus que le lithium, donc même si les batteries au lithium contiennent moins de 5 % du poids total de la batterie, une batterie à ions sodium pèserait tout de même plus qu’une batterie au lithium.
De plus, les performances des batteries au sodium sont inférieures. Les ions sodium transportant 0,3 volt de moins que les ions lithium, il en résulte inévitablement une perte d'environ 10 % de densité énergétique. Surtout, les anodes en graphite des batteries actuelles ne permettent pas une accumulation suffisante de sodium.
D'après un rapport publié par un groupe de travail germano-russe dirigé par le Centre Helmholtz de recherche scientifique (HZDR) de Dresde, en Allemagne, le nanocarbone pourrait contribuer à résoudre ce problème. Le rapport indique que l'utilisation d'un matériau carboné ultra-mince, le graphène bicouche, permet de stocker davantage d'ions sodium dans l'anode que le graphite.
Si, à l'avenir, des électrodes en graphène peuvent être installées dans les batteries au lithium, en remplacement des anodes en graphite couramment utilisées aujourd'hui, il sera peut-être possible d'augmenter considérablement la capacité des batteries.
Krasheninkov, un physicien du HZDR, a comparé cela au fait de placer une petite balle entre deux feuilles de papier : en ajoutant continuellement de petites balles entre les feuilles, le papier sera repoussé davantage et l'écart entre les deux feuilles augmentera.
Technologie compatible
Structure multicouche
Une technologie compatible ?
Si une structure multicouche fonctionne pour les batteries au lithium, est-elle également applicable à d'autres métaux alcalins comme le sodium ? Une équipe de chercheurs de Dresde, Stuttgart et Moscou espère le déterminer grâce à des simulations sophistiquées sur supercalculateur.
Étant donné que les prototypes de batteries sodium-ion n'ont jusqu'à présent pas bien fonctionné car le sodium ne peut pénétrer que difficilement dans l'anode en graphite, des calculs informatiques montrent que le sodium, tout comme le lithium, peut être intégré entre des couches de graphène dans une structure multicouche.
À l'avenir, si des électrodes en graphène sont installées dans les batteries sodium-ion à la place des anodes en graphite actuelles, une capacité de stockage plus élevée pourrait être atteinte.
Les résultats de ces études pourraient constituer une avancée majeure dans le développement de batteries sodium-ion économiques. Krasheninkov a précisé que ces travaux sont purement théoriques et ne préconisent pas le développement d'une nouvelle génération de batteries dans un avenir proche sur la seule base de ces résultats, mais qu'ils pourraient offrir de nouvelles pistes intéressantes aux ingénieurs.
Les batteries du futur
Perspectives d'avenir
Les batteries du futur
Heureusement, la batterie sodium-ion n'est plus un simple concept théorique. Une avancée majeure dans les technologies connexes semble imminente.
Les dernières découvertes montrent qu'il existe déjà des alternatives pratiques, abordables et économes en ressources aux coûteuses batteries au lithium, et qu'il est même possible d'améliorer leurs performances grâce à des structures multicouches.
Il faudra certainement du temps avant que la technologie des batteries sodium-ion soit prête pour une production de masse et une utilisation dans les véhicules électriques ou les téléphones portables. Mais une fois le moment venu, la transition des chaînes de production de batteries lithium vers les batteries sodium-ion ne devrait pas poser de problème majeur, car la technologie est relativement similaire.
