Les batteries sodium-ion s’améliorent dans la course à la densité énergétique

1 lectures 21 nov. 2023, 11:39

La transition énergétique des hydrocarbures vers l’électrique passe par le développement de batteries qui font l’objet d’intenses recherches afin de minimiser leur impact environnemental et social tout en offrant une haute efficacité et stabilité. Les batteries sodium-ion font partie de ces nouvelles batteries maintenant commercialisées et prometteuses.

Les batteries se sont insinuées dans notre quotidien sur de nombreux produits électroniques, ménagers (bricolage, smartphone, ordinateurs, aspirateurs…) et qu’elles sont maintenant fabriquées plus massivement pour les solutions d’autonomie énergétique (batteries de stockage d’énergie issue du solaire) et les véhicules électriques. La plupart des batteries sont des batteries Li-ion construites dans des gigafactory. Or, la fabrication des batteries lithium-ion demande des matériaux comme le cobalt, le lithium, le cuivre, le nickel ou des terres rares dont l’exploitation alimente certaines pollutions, tensions sur la ressource en eau jusqu’à la misère humaine et les enfants (qui a débuté bien avant l’arrivée des batteries).

Les voitures électriques sont dotées de batteries NMC pour nickel-manganèse-cobalt ou LFP pour lithium fer phosphate.

Pour pallier ces inconvénients, bien d’autres types de batterie sont développées en laboratoire dont les batteries sodium-ion (Na-ion) qui ne cessent de s’améliorer. Les batteries au sodium-ion « s’affranchissent du lithium et du cobalt habituellement utilisés – des ressources en tension dont la dépendance géostratégique affaiblit la souveraineté – et en pallie certaines limites. Ainsi, nos batteries sont plus durables – avec une durée de vie de 10 ans contre 3-4 ans pour celles au lithium dans des conditions d’usage continu – et 10 fois plus rapides à recharger (en 5 minutes seulement). Et ce, à coût équivalent aux technologies basées sur le lithium. Il s’agit donc d’une alternative écologique, économique et fiable« , précise Hervé Beuffe, président de l’entreprise Tiamat qui vient tout juste de commercialiser pour la première fois un tournevis sans fil à base d’une batterie sodium-ion chez Leroy Merlin.

En effet, les cellules de batterie au sodium-ion sont fabriquées à partir de matières premières abondantes et exemptes de minerais de conflit tels que le nickel et le cobalt. Tout cela en offrant une durée de vie plus longue, de plages de température de fonctionnement plus flexibles et de sécurité.

La course à la densité énergétique des batteries

Mais les batteries sodium-ion se heurtaient jusqu’alors à des verrous technologiques qui les empêchent de rivaliser avec les batteries lithium-ion, comme leur densité énergétique plus faible.

Or, le développeur suédois de batteries au sodium-ion, Altris, vient de rendre public une cellule de batterie au sodium-ion validée pour une densité énergétique de plus de 160 Wh/kg, la classant comme la meilleure de sa catégorie.
Cette réalisation est le fruit d’un partenariat de recherche avec Northvolt, un fournisseur suédois de cellules de batterie de haute qualité, qui a l’intention d’utiliser la technologie au sodium-ion comme base pour ses solutions de stockage d’énergie de prochaine génération sur les marchés à venir.

Une densité énergétique de 160 Wh/kg, c’est toutefois deux fois moins que les batteries lithium-ion qui équipent notamment les voitures électriques commercialisées chez Tesla. Et la course à la densité énergétique (qui permet de diminuer le poids des batteries et donc la puissance nécessaire pour mettre en mouvement un véhicule) est bien engagée.

Ainsi, début 2023, des chercheurs de l’Illinois Institute of Technology (IIT) et de l’US Department of Energy (DOE) Argonne National Laboratory ont annoncé avoir développé une nouvelle batterie au lithium-air qui aurait une densité d’énergie quatre fois supérieure à celle des batteries lithium-ion, soit une « densité d’énergie record de 1200 wattheures par kilogramme » pour 1 000 cycles, a déclaré Larry Curtiss, un membre émérite d’Argonne. De telles cellules de batteries pourraient être utilisées pour alimenter des avions nationaux et des camions long-courriers.

Le nombre de cycles d’une batterie fait référence au nombre de charges et de décharges complètes qu’elle peut subir avant que sa capacité ne diminue. Chaque cycle représente une charge complète suivie d’une décharge complète de la batterie. Par exemple, une batterie avec 500 cycles (ce qui est commun) ne pourrait être utilisée tous les jours que pendant un an et demi à pleine capacité.

Amprius Technologies, un fabricant de batteries au lithium-ion, commercialise depuis 2022 des batteries avec une densité énergétique de 450 Wh/kg. Et CATL, le plus grand fabricant mondial de batteries lithium-ion avec une part de marché mondial de 23 %, annonçait en avril 2023 une percée majeure qui a permis de faire passer la densité d’énergie des batteries lithium-ion à 500 Wh/kg.

Enfin, citons Ecoflow qui commercialise des batteries LFP (lithium fer phosphate) ou batteries LiFePO4 qui ont l’avantage d’être stables, sûrs et moins problématiques pour l’environnement. Par exemple, la station Delta 2 Max offre une capacité de 2048 W pour une densité énergétique d’environ 100 Wh/kg et 3 000 cycles (contre seulement 800 sur les batteries Nickel Manganèse Cobalt) avant que la capacité ne soit réduite à 80 %. Ces batteries sont utilisées pour augmenter l’autonomie énergétique du logement ou pour les personnes nomades qui peuvent ainsi profiter d’une source d’électricité dans leurs déplacements.

Les batteries LiFePO4 sont également utilisées dans les voitures électriques chinoises et même chez Tesla dans ses voitures d’entrée de gamme depuis 2021.