Comparée au lithium-ion, une batterie sodium-ion (Na-ion) offre de nombreux avantages, mais comme chaque médaille, cette technologie a son revers… Source : Auto-Innovations d’Yvonnick Gazeau qui vient de revoir l’architecture et la maquette de son site toujours aussi riche d’enseignements techniques !
La recherche d’alternatives à la batterie lithium-ion (Li-ion) est un enjeu majeur. Comparée à cette dernière, une batterie sodium-ion (Na-ion) offre de nombreux avantages, notamment en densité de puissance, C-rate (régime de dé-charge d’une batterie exprimé comme un multiple de C), disponibilité du matériau et coût, mais elle présente également des limites non négligeables. Une dizaine de fabricants sont implantés dans le monde, dont la société française Tiamat Energy. Les premiers développements connus de batteries sodium-ion datent des années 70 mais avaient été ralentis à la suite du succès des lithium-ion. De nouvelles recherches ont repris au début des années 2000 : puissance supérieure, coût moindre et grande disponibilité du sodium. En effet, la croûte terrestre est constituée de 2,6 % de sodium (Na) contre 0,06 % de lithium (Li) et la répartition du sodium est également plus uniforme puisque l’eau de mer contient du chlorure de sodium (NaCl), alors que les gisements de lithium sont principalement concentrés dans quelques régions de la planète. Et tout le monde est sur le pont : en France en 2012, le CEA, le CNRS et le Collège de France ont formé un groupe de recherche sur les cellules Na-ion, puis le réseau RS2E a réussi en novembre 2015 à concevoir une batterie. D’autres entreprises développent également cette technologie, dont les chinoises HiNa Battery Technology Co. Ltd et la géante CATL, la suédoise ALTRIS, l’américaine Natron Energy et l’anglaise/indienne Faradion Limited.
Une batterie
plutôt typée puissance !
La constitution d’une cellule sodium-ion diffère quelque peu de celle d’une lithium-ion :
- L’électrolyte est similaire à celui utilisé dans les li-ion, soit du carbonate pour les solutions aqueuses, soit de l’hexafluorophosphate en cas d’électrolyte solide.
- L’anode est en carbone dur (structure désorganisée amorphe), le graphite utilisé pour les batteries lithium-ion ne pouvant stocker l’ion sodium en quantité suffisante. Des alliages à base d’antimoine (Sb) et/ou d’étain (Sn) sont également employés en alternative.
- La cathode est en sodium enrichi d’autres matériaux tels que le nickel, le manganèse, le magnésium, le chrome, le fer ou le cuivre selon les choix et les avancées technologiques. Des cathodes à partir de blanc de Prusse, notamment par CATL, ou bleu de Prusse (PBA) sont également développées.
Les Na-ion présentent des caractéristiques au niveau des cellules quelque peu distinctes des Li-ion :
La grande différence concerne leur puissance spécifique élevée : de 1 à 1,5 kW/kg en charge et jusqu’à 7,5 kW/kg en décharge contre des maxi de 1,5 kW/kg et 5 kW/kg. Leurs concurrents dans ce domaine sont les supercondensateurs qui culminent à 10 kW/kg, certains annonçant 20 kW/kg. En contrepartie, leur énergie spécifique est moindre : 70 à 160 Wh/kg contre 180 à 300 Wh/kg pour les li-ion déjà commercialisées. Au niveau batterie (inclus BMS, structure, refroidissement, etc.), leur énergie spécifique est de 90 Wh/kg contre 140 à 170 Wh/kg. Quant aux supercondensateurs, les plus performants ne dépassent pas 15 Wh/kg.
Pour des usages
spécifiques !
Source Auto-Innovations, Yvonnick Gazeau.
Le développement de la batterie sodium-ion n’en est qu’à ses prémices. Plusieurs évolutions chimiques sont envisagées, notamment une anode en nanotube de carbone et un électrolyte solide. Le régime de (dé)charge supérieur et l’énergie spécifique moindre conduisent la batterie sodium-ion vers des usages nécessitant des transferts de puissance en charge/décharge élevés. Les véhicules hybrides semblent bien indiqués, demandant des puissances élevées à des batteries de petite capacité. Les batteries Na-ion sont également bien placées pour la recharge rapide de bus électriques en fin de ligne ou à chaque station. Elles sont aussi adaptées aux véhicules en location qui requièrent des temps de recharge courts et une continuité de service aux usagers. Qui plus est, en raison du C-rate élevé (voir plus haut) et du coût moindre, la micro-mobilité est également un marché visé : trottinettes, voitures sans permis, petits bateaux, etc.
Un autre marché à fort potentiel concerne le remplacement des batteries de démarrage au plomb et des usages hors automobile sont également envisagés, notamment pour les nombreux appareils électroportatifs ou le stockage d’énergie issue de sources renouvelables intermittentes telles que les éoliennes ou les panneaux solaires.
Enfin, pour ce qui est des voitures électriques, en Chine depuis le début de cette année, JAC Motors teste des petites voitures basse vitesse Sehol E10X dotées d’une batterie sodium-ion fournie par HiNa Battery Technology, alors que les modèles de série sont équipés de lithium-ion LFP… Le constructeur de voitures chinois BYD, également fabricant de batteries, lance cette année via sa filiale FinDreams la production de batteries sodium-ion en grande quantité pour alimenter dans un premier temps localement, puis mondialement, des petits véhicules électriques. CATL a dévoilé une batterie sodium-ion utilisant du blanc de Prusse (PBA) comme matériau de cathode et a démontré une densité d’énergie atteignant 160 Wh/kg, soit proche d’une li-ion LFP. Par ailleurs, CATL étudie une batterie mixant cellules lithium-ion et sodium-ion afin de cumuler les avantages de chaque technologie, grâce à un algorithme spécifique intégré dans le BMS.Et dire que l’on croyait laisser le li-ion aux Chinois et nous précipiter sur les nouvellles technologies pour reprendre un avantage concurrentiel… Une fois encore, nous avons un train (électrique) de retard sur ce sujet !
