Les ions sodium attirent l'attention dans le monde entier, comme alternative aux ions lithium, dans les batteries rechargeables. Les ions sodium sont d'excellents porteurs de charge, comme vous pouvez le voir dans cette simple expérience sur une batterie au chlorure de sodium et à l'eau.
Les leaders mondiaux de l’industrie des batteries misent beaucoup sur les batteries sodium-ion en tant que future épine dorsale de l’énergie industrielle verte. Si vous recherchez le monde Top 10 des fabricants de batteries sodium-ion, vous remarquerez qu’ils regroupent également les plus grands fabricants de batteries Lithium-ion.
Étant donné que les compositions chimiques des batteries sodium-ion et lithium-ion sont similaires, les fabricants s'appuient sur un savoir-faire et des équipements de production éprouvés en matière de lithium-ion pour développer rapidement des batteries sodium-ion. La société chinoise Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) en est un bon exemple. top10 des batteries lithium-ion fabricants en Chine. CATL a lancé son Batterie Sodium-ion de première génération avec une densité énergétique de 160 Wh/kg.
Étant donné que les batteries sodium-ion sont plus volumineuses que les batteries lithium-ion équivalentes, elles ne sont actuellement pas idéales pour les véhicules électriques. Les fabricants ciblent donc le marché du stockage d’énergie, où la taille n’a pas d’importance mais où le coût, les performances et la sécurité des chaînes d’approvisionnement sont des considérations clés. Les scientifiques pensent que Les batteries sodium-ion sont la réponse au défi du stockage des énergies renouvelables.
À l’avenir, on peut s’attendre à ce que les batteries sodium-ion deviennent plus légères et plus puissantes. Cela signifie que ces batteries deviendront attractives pour le marché des véhicules électriques. Cependant, vous avez peut-être remarqué que le marché des véhicules électriques n’a pas été robuste ces derniers temps. À l’échelle mondiale, le marché des véhicules électriques a faibli en raison de leur coût élevé, du manque d’infrastructures de recharge et, dans de nombreux cas, du retrait des incitations fiscales. Plus loin, Les batteries lithium-ion pourraient être remplacées par les piles à combustible à hydrogène dans le secteur des transports. Le lithium-ion étant réservé aux petits équipements électroniques, la technologie sodium-ion peut progresser à long terme.
Qu'est-ce que la batterie sodium-ion ?
Une batterie sodium-ion est une batterie rechargeable qui utilise des ions sodium pour transporter la charge électrique à l’intérieur de la batterie. Les ions sodium font la navette entre l'anode et la cathode, transportant le courant interne de la cellule, pendant chaque cycle de charge et de décharge.
Comment fonctionne une batterie sodium-ion ?
Tu peux voir la principe qui sous-tend une batterie sodium-ion dans la figure 1. Les principales parties fonctionnelles de la batterie sont :
- Une anode, qui est un matériau poreux électrode et contient de nombreux atomes de sodium ionisables à sa surface ;
- Une cathode, qui est également une électrode poreuse, avec une surface suffisante pour recevoir les ions sodium provenant de l'anode ;
- Un séparateur poreux qui empêche le contact physique entre l'anode et la cathode, mais permet aux ions sodium de faire la navette entre l'anode et la cathode ;
- Un électrolyte liquide contenant des sels de sodium dissous. Le électrolyte agit comme un réservoir d'ions sodium qui démarrent un courant interne une fois qu'une différence de tension est créée entre les électrodes.
Sur la figure 1, les boules jaunes représentent des ions sodium chargés positivement tandis que les boules rouges représentent des atomes de sodium neutres. Chaque atome de sodium neutre devient un ion chargé positivement lorsqu'un électron est retiré de sa couche électronique la plus externe.
Ainsi, une fois qu'une tension externe est appliquée via un chargeur ou une batterie plus grande, les électrons sont extraits des atomes de sodium attachés à l'anode. Ces électrons circulent dans le circuit externe et atteignent la cathode. La cathode acquiert un potentiel négatif en raison de l'accumulation d'électrons.
Simultanément, les atomes de sodium de l'anode, ayant perdu chacun un électron, deviennent des ions positifs et quittent l'anode. En raison de la différence de potentiel, ils voyagent à travers l’électrolyte, vers la cathode. À la cathode, les ions sodium positifs sont neutralisés par les électrons qui y parviennent depuis le circuit externe. Les atomes de sodium neutres qui en résultent se garent à la cathode pendant la partie restante du cycle de charge.
Lorsqu'une charge externe est connectée et que la batterie se décharge, le voyage inverse commence pour les ions Sodium garés à la cathode. Les ions sodium retournent à l'anode à travers l'électrolyte, tandis que les électrons de la cathode voyagent à travers la charge externe jusqu'à l'anode. Une fois à l'anode, les ions sodium sont neutralisés par les électrons provenant du circuit externe. Les atomes de sodium neutres se garent à l'anode pendant le reste du cycle de décharge. Ainsi, toute la vie des ions Sodium dans ce type de batterie rechargeable se passe en navette entre l'Anode et la Cathode !
La densité de trafic maximale des ions sodium dépend des propriétés de l'électrolyte ainsi que de la construction de l'anode et de la cathode. Ce sont des paramètres importants dans la conception de la batterie, car ils déterminent la densité énergétique et le courant.
Applications
Les experts estiment que les applications idéales pour les batteries sodium-ion se trouvent applications de stockage d'énergie stationnaire dans les secteurs des énergies renouvelables et de l'industrieL’ Naïma Le projet dans l'Union européenne se concentre sur le développement de deux configurations de cellules sodium-ion écologiques et sûres pour le secteur du stockage d'énergie.
Entre-temps, le premier déploiement commercial au monde de batteries sodium-ion dans le secteur automobile a été réalisé en Chine. UN coentreprise entre JAC de Chine et Volkswagen d'Allemagne a lancé un véhicule de tourisme de cinq places alimenté par une batterie sodium-ion de 25 kWh, avec une autonomie de 250 km.
Les batteries sodium-ion sont également envisagées pour les appareils électroniques personnels, tels que les ordinateurs portables et les téléphones mobiles. Bien que plus lourdes que les batteries lithium-ion, elles sont moins chères et plus sûres, deux critères importants à prendre en compte par le consommateur.
Une autre application des batteries sodium-ion concerne les systèmes d'alimentation de secours, comme dans L'onduleur de Natron Energy .
Comment la batterie sodium-ion change la donne :
Les batteries sodium-ion apporteront de nombreux avantages sur les marchés des batteries rechargeables. Ceux-ci inclus:
Plus de sécurité
Comparées aux batteries lithium-ion, les batteries sodium-ion sont moins sujettes à prendre feu. Les générations futures d’ions sodium pourraient utiliser des électrolytes à l’état solide qui seront absolument exempts de ce risque. Par exemple, Des chercheurs australiens ont développé un électrolyte polymère solide ininflammable, à utiliser avec les batteries sodium-ion. Diverses autres stratégies visant à atténuer les risques thermiques des batteries sodium-ion sont également à l'étude, notamment sélection des matériaux pour une sécurité améliorée.
Réduction des coûts
Le coût des batteries sodium-ion par kWh est inférieur à un tiers de celui des batteries lithium-ion. En raison du coût des matières premières.
Réduire les risques liés à la chaîne d’approvisionnement
Contrairement au lithium, qui n’est extrait et raffiné que dans quelques pays, le sodium est facilement disponible dans le monde entier. Cela réduit considérablement les risques liés à la chaîne d’approvisionnement en matières premières.
Batterie sodium-ion vs batterie lithium-ion
En tant que consommateur ou investisseur, si vous deviez faire un choix entre les deux, quelle direction prendriez-vous ? En tant que consommateur, vous examinerez les avantages immédiats et les caractéristiques de performance, tandis qu'en tant qu'investisseur, vous examinerez des problèmes plus vastes et à long terme.
Comparons les deux types de batteries sur quelques paramètres clés, pertinents pour les consommateurs comme pour les investisseurs.
| Paramètre | Batterie aux ions lithium | Batterie sodium-ion |
| Maturité de la technologie et des chaînes d'approvisionnement | La technologie est mature et il existe des chaînes d’approvisionnement mondiales établies. | La technologie de première génération est commercialisée. Chaînes d’approvisionnement limitées. |
| Prix | ~ 130 $ - 180 $/kWh | ~ 40 $ à 55 $/kWh |
| Sécurité | Risque élevé d'emballement thermique dû à l'incendie des matériaux des cellules dû à une production de chaleur incontrôlée | Un risque d'emballement thermique existe pour les batteries sodium-ion, mais peuvent être éliminés à l'avenir par la sélection et la conception des matériaux cellulaires. |
| Densité d'énergie | 150 -250 Wh/kg | 100 à 160 Wh / kg |
| Tension | 3.0 ~ 4.5 V | 2.8 ~ 3.5 V |
| Stockage sans frais | Non recommandé, cela réduira la durée de vie de la batterie | Permis. N'affectera pas la durée de vie de la batterie |
| Risque lié à la chaîne d'approvisionnement | Élevé, du fait de l’approvisionnement en Lithium et d’un raffinage concentré dans quelques pays. | Faible risque, car le sodium est disponible en abondance et le raffinage est facile. |
Batteries sodium-ion – présentes et futures
Les batteries sodium-ion ont fait leur entrée au bon moment, alors que l’attention mondiale se concentre sur la décarbonation de l’énergie. Les batteries Sodium-ion de première génération ont déjà démontré plusieurs avantages par rapport au Lithium-ion, notamment sur les paramètres de coût et de sécurité.
Cependant, la demande actuelle pour ces batteries rechargeables est tirée par les véhicules électriques et les appareils électroniques personnels, où les batteries au lithium dominent le marché. En raison d’une densité de puissance plus faible et d’un poids plus élevé, il sera difficile pour le sodium-ion de rivaliser avec les batteries de première génération. C’est pourquoi de nombreux efforts de recherche et développement sont consacrés à l’amélioration de la densité de puissance des batteries sodium-ion. En fait, une avancée décisive pourrait être proche, puisque CATL a annoncé que sa batterie sodium-ion de nouvelle génération atteindra 200 kWh/kg. L’amélioration de la densité énergétique à des coûts compétitifs constituera un défi sans fin pour tous les types de batteries. Par exemple, CATL donne encore une fois le ton en travaillant sur un système futuriste basé sur le lithium. Batterie à matière condensée de 500 kWh/kg.
À moyen terme, l’augmentation des investissements dans les énergies renouvelables par les pays du monde entier stimulera la demande de systèmes de stockage d’énergie. Les fabricants de batteries sodium-ion considèrent cela comme la meilleure option, une fois qu’elle aura décollé.
Outre la densité énergétique et de puissance, la technologie des batteries sodium-ion continue de se développer, pour combler l'écart avec la technologie lithium-ion. Les scientifiques résolvent les problèmes liés à la dégradation des matériaux, développent des anodes, des cathodes et des électrolytes moins chers et de meilleure qualité, améliorant ainsi la sécurité et la capacité de recyclage.
Les chaînes d’approvisionnement des batteries sodium-ion doivent également se développer, ce pour quoi les investissements nécessaires doivent être réalisés.
En conclusion, les batteries sodium-ion sont devenues un concurrent sérieux de leurs homologues lithium-ion. Cependant, il faudra de nombreuses années de développement et de succès commercial avant de pouvoir affirmer que les batteries sodium-ion représentent l’avenir de l’énergie.
