Énergie
Les batteries sodium de nouvelle génération rivalisent avec la technologie lithium-ion
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Une équipe d'ingénieurs novateurs de l'École d'ingénierie moléculaire Pritzker de l'Université de Chicago vient de dévoiler une nouvelle amélioration des batteries sodium-ion à l'état solide, qui en améliore les performances et la stabilité.1 Cela représente un bond technologique considérable, qui, selon de nombreux observateurs, viendra compléter la demande déjà importante en batteries lithium-ion. Voici ce qu'il faut savoir.
Batteries liquides vs batteries à l'état solide
Les ingénieurs continuent de développer des batteries plus performantes, visant à améliorer leur densité énergétique et leur stabilité. Actuellement, les batteries lithium-ion constituent la norme du secteur. Ces sources d'énergie utilisent un électrolyte à base d'ions lithium. On les trouve couramment dans des appareils du quotidien comme les smartphones, les véhicules électriques ou les ordinateurs.
Ce concept s'est avéré efficace, mais présente de nombreux inconvénients. D'une part, l'électrolyte lithium-ion est volatil et thermoréactif. Ces batteries utilisent des cellules susceptibles de surchauffer, de prendre feu ou d'exploser. De plus, leur conception repose sur des cellules très rapprochées, ce qui signifie que si l'une d'elles chauffe, les cellules voisines risquent de chauffer également, provoquant un phénomène appelé emballement thermique.
La source - Tycorun
Batteries entièrement à semi-conducteurs (ASSB)
Les batteries lithium-ion à l'état solide remplacent l'électrolyte liquide par un matériau solide, comme le LiPON, le Thio-LISICON, le LATP, etc. Cette structure offre des avantages considérables, notamment une meilleure stabilité thermique, un transport optimisé des ions lithium et une densité énergétique accrue.
De plus, les batteries à semi-conducteurs peuvent être miniaturisées et allégées, ce qui les rend idéales pour les technologies de pointe comme les drones et la robotique. Elles se rechargent plus rapidement et offrent une durée de vie supérieure à celle des batteries précédentes. Cependant, les batteries à semi-conducteurs à base de lithium-ion présentent également certains inconvénients.
Inconvénients des batteries lithium-ion à l'état solide
L'un des principaux problèmes liés aux batteries lithium-ion est qu'elles utilisent encore des composants inflammables qui, dans certaines conditions, peuvent réagir violemment avec l'oxygène. L'explosion d'une batterie sur un scooter est tragique, mais l'incendie d'une batterie à bord d'un avion électrique serait catastrophique.
De plus, bien que le lithium ne soit pas une terre rare (c'est un métal alcalin), sa chaîne d'approvisionnement est concentrée et sa capacité de raffinage est limitée. Ces contraintes, conjuguées aux coûts d'extraction et aux délais d'obtention des permis, contribuent à la volatilité des prix et à la rareté de l'offre.
Alternatives au sodium
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| Type de pile | Électrolyte | Densité d'énergie | Sécurité thermique | Abondance matérielle | Impact Environnemental |
|---|---|---|---|---|---|
| Lithium-Ion | Liquide (sel de lithium) | Haute | Faible – risque d'incendie | Édition | Modéré / Toxique |
| Batterie lithium-ion à l'état solide | Solide (LiPON, LATP) | Très élevé | Agencement des | Édition | Modérée |
| Sodium-Ion | Liquide (sel de sodium) | Moyenne | Bon | Haute | Coût en adjuvantation plus élevé. |
| Sodium à l'état solide (nouvelle étude) | Solide (Hydridoborate de sodium) | Haute ≈ Li-ion | Excellent – ininflammable | Très élevé | Un petit peu |
Les problèmes évoqués ci-dessus ont incité les ingénieurs à rechercher et à trouver des alternatives aux batteries lithium-ion. Le sodium est une option qui a gagné en popularité. Les technologies à base de sodium, notamment celles utilisant des électrolytes solides ininflammables, réduisent considérablement le risque d'emballement thermique par rapport aux batteries lithium-ion classiques, améliorant ainsi la sécurité globale. De plus, le sodium est abondant. Son abondance se traduit par des coûts plus bas et un plus grand choix d'approvisionnement.
Les batteries au sodium se chargent plus rapidement que les batteries lithium-ion et offrent d'excellentes performances à basse température. De plus, le sodium est plus respectueux de l'environnement que l'électrolyte des batteries lithium-ion, qui peut s'infiltrer dans le sol à partir des décharges et autres déchets électroniques. Malheureusement, la quantité de déchets électroniques, ces appareils mis au rebut, ne cesse d'augmenter. (lire ici) On prévoit que 60 millions de tonnes de déchets finiront dans les décharges rien qu'en 2025.
Problèmes actuels des batteries au sodium
Malgré leurs avantages, ces batteries présentent plusieurs limitations qui freinent leur adoption. D'une part, leur faible densité énergétique les rend plus volumineuses et plus lourdes que les batteries lithium-ion. D'autre part, leurs performances à température ambiante sont nettement inférieures à celles des batteries lithium-ion. Conscients de ces limitations, une équipe d'ingénieurs a mis au point une batterie sodium améliorée qui élimine ces problèmes et offre une puissance équivalente à celle des batteries lithium-ion.
Étude sur l'amélioration des batteries au sodium
L'étude, Closo-hydridoborates de sodium métastables pour batteries tout solide à cathodes épaisses, publié dans Joule, introduit une nouvelle méthode pour créer une batterie sodium à l'état solide capable de fournir des performances comparables aux options Li-ion haut de gamme à diverses températures.
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| Paramètre | Matériaux / Conception | Valeur déclarée | Conditions d'essai | Remarques |
|---|---|---|---|---|
| Conductivité ionique | Orthorhombique Na3(B12H12)(BH4) | ~4.6 mS·cm-1 | ~ 30 ° C | ~10³× par rapport aux précurseurs ; phase métastable |
| Architecture de la cathode | Cathode de type O3 + électrolyte solide revêtu de chlorure | Charge surfacique élevée et épaisse | Chambre → subzéro | Améliore la densité énergétique ; fonctionnement stable à basse température |
| PERFORMANCES DE TEMPÉRATURE | Cellule composite (étude) | Fonctionne à des températures inférieures à zéro | Subzero a démontré | Maintient les performances par rapport aux modèles Na précédents |
Hydridoborate de sodium
L'équipe a étudié différentes options à base de sodium avant de conclure que l'hydridoborate de sodium permettrait de créer une structure métastable capable de supporter une conductivité ionique élevée. Elle a commencé par recueillir puis tester des données informatiques et expérimentales afin de garantir la métastabilité de l'hydridoborate de sodium dans diverses conditions.
Les ingénieurs ont utilisé une méthode courante pour chauffer une forme métastable d'hydridoborate de sodium et la transformer en cristal. Cette approche, inédite dans le domaine des batteries à l'état solide, exige un refroidissement rapide du cristal après sa formation afin d'assurer sa stabilité. Plus précisément, cette stratégie stabilise cinétiquement la phase orthorhombique, caractérisée par une mobilité élevée des ions Na+.
Cathode de type O3
L'un des principaux atouts de l'hydridoborate de sodium réside dans sa capacité à permettre l'utilisation de cathodes épaisses. L'augmentation de la taille de la cathode a permis à la batterie de conserver des performances optimales. Ce résultat est obtenu grâce à l'élimination des matériaux inactifs, ce qui améliore la densité énergétique. De plus, la cathode est revêtue d'un électrolyte solide à base de chlorure, lui conférant une stabilité accrue.
Test de l'amélioration de la batterie au sodium
L'équipe a mené plusieurs tests et simulations dynamiques pour démontrer sa théorie. Elle a déterminé que des facteurs clés, comme la propension au mouvement des anions, étaient essentiels à la grande mobilité des ions Na+. De plus, elle a montré comment le processus assurait une conductivité élevée sur une large plage de températures.
Résultats des tests d'amélioration des batteries au sodium
Les résultats des tests effectués par les ingénieurs ont révélé des détails essentiels concernant les performances de leurs batteries. Ils ont notamment démontré comment une phase orthorhombique Na3(B12H12)(BH4) cinétiquement stable offre une conductivité comparable à celle des batteries lithium-ion. Ils ont également montré comment des cathodes composites épaisses à forte densité surfacique sont capables de fonctionner de manière optimale à des températures inférieures à zéro.
Avantages de l'étude sur les améliorations apportées aux batteries au sodium
Cette étude présente de nombreux avantages pour le marché. Elle permet notamment d'approfondir la compréhension des électrolytes solides à base d'hydridoborate, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles innovations. L'équipe a notamment utilisé des techniques éprouvées et des stratégies de conception pratiques, ce qui rend ses travaux parfaitement applicables au marché actuel.
Les batteries au sodium offrent une conductivité ionique élevée, une grande durabilité et une excellente stabilité. Elles sont ininflammables et ne risquent pas d'exploser en cas de rupture, contrairement aux batteries lithium-ion qui les ont précédées. De plus, leur nouvelle conception permet de réduire leur poids et leur taille, tout en alignant leur densité énergétique sur celle des batteries existantes.
Abondance
Le sodium est bien plus facile à obtenir que le lithium. Ce matériau est abondant et plus abordable. De ce fait, ces batteries pourraient permettre de proposer des véhicules électriques, des smartphones et d'autres appareils de haute technologie beaucoup moins chers. À tout le moins, cette technologie offre une alternative possible si un pays décidait d'empêcher l'exportation de terres rares essentielles comme le lithium.
Utilisations concrètes et calendrier des ASSB au sodium
Les batteries au sodium offrent de nombreuses applications. Elles pourraient un jour constituer une alternative abordable pour les applications nécessitant une haute tension. De plus, des recherches sont déjà menées sur ces batteries en vue de remplacer les batteries lithium-ion, coûteuses et encombrantes, équipant les véhicules électriques actuels. À l'avenir, cette technologie se généralisera dans presque tous les secteurs de l'électronique, offrant une alternative plus fiable et plus sûre aux solutions actuelles.
Quand ce produit pourrait-il arriver sur le marché ?
Des alternatives aux batteries sodium pourraient voir le jour d'ici cinq ans. Cette étude ouvre la voie à une adoption plus large de cette technologie, et l'utilisation de techniques éprouvées permettrait aux gigantesques usines actuelles de produire les deux types de batteries moyennant des ajustements minimes.
Des chercheurs étudient l'amélioration des batteries au sodium
L'étude sur l'amélioration de la concentration en sodium a été menée par l'École d'ingénierie moléculaire Pritzker de l'Université de Chicago. Elle a été réalisée par une équipe de professeurs titulaires de la chaire Liew, qui reconnaît leur expertise dans leurs domaines respectifs.
L'article cite spécifiquement Shyue Ping Ong, Ying Shirley Meng, Jin An Sam Oh, Zihan Yu, Chen-Jui Huang, Phillip Ridley, Alex Liu, Tianren Zhang, Bing Joe Hwang et Kent J. Griffith comme contributeurs à l'étude.
Étude sur les améliorations des batteries au sodium
L'avenir de cette technologie s'annonce prometteur pour plusieurs raisons. D'une part, la stabilisation cinétique d'une structure anionique favorisant la diffusion est applicable à de nombreux autres hydridoborates et complexes anioniques apparentés. C'est pourquoi l'équipe poursuivra ses recherches sur d'autres matériaux et options, afin d'optimiser leurs performances.
Investir dans la fabrication de batteries
Le secteur des batteries est un marché en pleine expansion qui a connu une croissance significative au cours de la dernière décennie. Le monde est mobile, et les batteries en sont le moteur. De ce fait, plusieurs fabricants se sont imposés sur le marché. Voici une entreprise qui demeure un leader du secteur.
Microvaste
Microvast a fait son entrée sur le marché en 2006. Son siège social est situé au Texas et ses sites de production à Huzhou, en Chine. Son fondateur, Yang Wu, ancien élève de Stanford, ambitionnait de faire de l'entreprise un fournisseur de premier plan de batteries lithium-ion de pointe pour le marché émergent des véhicules électriques.
(MVST )
Dans le cadre de cette stratégie, l'entreprise a été pionnière dans le développement de plusieurs nouvelles technologies, dont un système de charge ultra-rapide baptisé MpCO Battery Technology en 2017. Microvast a connu une croissance importante depuis son lancement et exploite désormais plusieurs installations dans le monde, notamment en Allemagne, au Tennessee et en Chine.
Cette année, l'entreprise a dévoilé sa technologie de batterie entièrement à l'état solide, qui a permis d'atteindre des performances inédites. Les investisseurs souhaitant s'associer à un fabricant de batteries établi, bénéficiant de partenariats stratégiques de haut niveau et d'une solide réputation, devraient se renseigner davantage sur les actions Microvast.
Dernières actualités et performances de l'action MVST (MVST)
Étude sur l'amélioration des batteries au sodium | Conclusion
Ces améliorations apportées aux batteries au sodium pourraient garantir un avenir plus sûr à des millions de personnes. La dépendance mondiale aux batteries au lithium a déjà engendré pollution, dommages, risques sanitaires et même des tensions militaires à l'échelle internationale. Les batteries au sodium contribuent à atténuer ces problèmes et ouvrent la voie à un avenir plus sûr, où l'énergie portable et bon marché sera la norme.
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Références
1. « Closo-hydridoborates de sodium métastables pour batteries tout-solide à cathodes épaisses », Oh et al. Joule, 16 septembre 2025. DOI : 10.1016 / j.joule.2025.102130
