Accumulateur sodium-ion

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Un accumulateur sodium-ion (ou batterie sodium-ion) est un type d'accumulateur électrique, utilisant un sel de sodium pour stocker de l'énergie électrique.

Cette batterie pourrait être une alternative moins chère aux accumulateurs lithium-ion.

Principes[modifier | modifier le code]

Comme toutes les batteries, la batterie sodium-ion stocke de l'énergie électrique via des liaisons chimiques qui peuvent se faire et se défaire côté anode. Quand la batterie est en charge des ions Na+ se « désintercalent » et migrent vers l'anode. Durant le temps d'équilibrage de charge, des électrons migrent de la cathode vers l'anode à travers le circuit externe contenant le chargeur. Lors de la décharge le processus s'inverse[1].

Des cellules sodium-ion se sont montrées capables d'entretenir une tension de 3,6 volts (pour 115 Ah/kg) après 50 cycles de charge/décharge, soit une énergie spécifique à la cathode équivalent à environ 400 Wh/kg[2], mais leur performance pour ce qui est du nombre de cycles n'atteint pas à ce jour celles des batteries de type non-aqueux Li-ion commercialisées.

Faradion affirme avoir amélioré le nombre de cycles de recharge complète d'un accumulateur Na-ion en utilisant une cathode en oxyde stratifié[3].

Les matériaux d’électrode positive[modifier | modifier le code]

Un matériau d'électrode positive pour les batteries sodium-ion est un matériau qui peut réagir de manière réversible avec le sodium à un potentiel haut et présentant une capacité spécifique élevée. La réversibilité est importante afin que de nombreux cycles puissent être réalisés sans perte de capacité.

Phosphates[modifier | modifier le code]

Les phosphates constituent une famille de matériaux très étudiée en tant que matériau d'électrode positive pour les batteries sodium-ion. L'avantage de ces matériaux est que les polyanions (PO4)3− ont un fort effet inductif sur le métal de transition ce qui diminue l'énergie de transition du couple redox du métal et par conséquent crée un potentiel électrochimique élevé. Ils sont de plus très stables[4]. Les matériaux dits NASICON  (Na superionic conductor) ont une formule AxMM’(XO4)3. Leur comportement et leur structure sont bien connus car ils ont longtemps été étudiés comme électrolytes solides (notamment pour les systèmes sodium-air et sodium-soufre). Delmas et al. ont tout d'abord démontré que NaTi2(PO4)3  pouvait être électrochimiquement actif de façon réversible avec le sodium[5],[6]. Na3V2(PO4)3 a été testé récemment et montre 2 paliers à 1,63 et 3,40 V correspondant respectivement aux transitions V2+/V3+ et V3+/V4+ [7]. La capacité spécifique est d'environ 60 mAh/g pendant 50 cycles. À la suite de cela, de nombreuses publications sur ce matériau[8], ou sur des composés qui s'en rapprochent avec un métal de transition différent[9], montrent qu'il était possible d'améliorer leurs caractéristiques. Ainsi, Saravanan et al. ont réussi à obtenir, avec ce matériau, une capacité spécifique supérieure à 40 mAh/g pendant plus de 10 000 cycles[10]. Le fait que ce matériau fonctionne sur deux plateaux de potentiels distincts de près de 2 V a permis le développement de batteries symétriques tout-solide[11].

Coûts[modifier | modifier le code]

Ses promoteurs espèrent qu'une fois produite en masse, elle sera beaucoup moins chère que son alternative à base de lithium, du fait du faible coût du sodium[4],[12] et d'un assemblage plus simple[5],[13].

La combinaison des deux technologies (sodium et lithium) pourrait peut-être permettre de produire des batteries très efficientes et moins chères[6],[14].

Recherche et développement[modifier | modifier le code]

Les recherches à l'Université des sciences de Tokyo ont conduit à un prototype en mai 2012[7],[15].

En 2014 Aquion énergie a réussi à produire une batterie sodium-ion commercialement disponible avec un coût et des capacités (en kWh) semblables à ceux d'une batterie plomb-acide, et pouvant être utilisée comme source d'alimentation de secours pour des micro-réseaux électriques (microgrids)[8],[16].

Une autre société (Faradion) produit une gamme de matériaux sodium-ion à faible coût, qui sont une alternative aux technologies lithium-ion. Contrairement aux batteries sodium-soufre[9], des batteries aux ions sodium peuvent être portables et fonctionner à température ambiante (env. 25 °C). Par rapport aux modèles « lithium-ion », les accumulateurs Sodium-ion offrent aussi des fonctionnalités améliorées en matière de sécurité et de transport.

Dans les batteries qui doivent rapidement se charger/décharger, les anode rigides posent problème : elles sont souvent trop fragiles pour résister aux cycles de rétractions/gonflements induits par les flux d'ions qui vont et viennent lors des cycles de charge/décharge. Une étude récente a montré que le remplacement de telles anodes par des anodes en bois recouvert d'étain pourrait être intéressant : les anodes souples de bois étamé ont ainsi résisté à plus de 400 cycles de charge. Et après ces centaines de cycles, le bois ridé était presque intact. Les modèles informatiques indiquent que ces types de rides peuvent réduire efficacement le stress pendant la charge et la décharge. Les ions Na se déplacent à travers les parois des cellules fibreuses et diffuse au (Sn) surface du film d'étain[17],[18].

Une autre étude a testé la possibilité d'utiliser un composite MoS2/papier graphène comme une électrode, en réussissant à produire 230 Ah/kg avec une efficacité de Coulomb atteignant environ 99 %[19],[20],[21].

Fin 2015, le réseau français RS2E a présenté un prototype de batterie sodium-ion 18650 avec 90 Wh/kg, dont la durée de vie (nombre maximum de cycles de charge et de décharge) dépasse les 2 000 cycles[22].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Zumdahl, Steven (3 December 2007). Chemical Principles. Cengage Learning. p. 495. (ISBN 0-618-94690-X).
  2. Ellis, B. L.; Makahnouk, W. R. M.; Makimura, Y.; Toghill, K.; Nazar, L. F. (2007). "A multifunctional 3.5V iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries". Nature Materials 6 (10): 749–53. doi:10.1038/nmat2007. PMID 17828278
  3. J. Barker, R.J. Heap, N. Roche, C. Tan, R. Sayers et Y. Lui, « Low Cost Na-ion Battery Technology », sur Faradion Limited,‎ (consulté le 27 octobre 2016).
  4. a et b Palomares, V., Serras, P., Villaluenga, I., Hueso, K.B., Carretero-Gonzalez, J. and Rojo, T. Energy & Environmental Science, 2011, 5, 588
  5. a et b Delmas, C., Nadiri, A. and Soubeyroux, J.L. Solid State Ionics, 1988, 28, 419.
  6. a et b Delmas, C., Cherkaoui, F., Nadiri, A. and Hagenmuller, P. Materials Research Bulletin, 1987, 22, 631.
  7. a et b Jian, Z., Zhao, L., Pan, H., Hu, Y.-S., Li, H., Chen, W. and Chen, L. Electrochemistry Communications, 2011, 14, 86.
  8. a et b Jian, Z., Han, W., Lu, X., Yang, H., Hu, Y.-S., Zhou, J., Zhou, Z., Li, J., Chen, W., Chen, D. and Chen, L. Advanced Energy Materials, 2013, 3, 156.
  9. a et b Chihara, K., Kitajou, A., Gocheva, I.D., Okada, S. and Yamaki, J.-I. Journal of Power Sources, 2012, 227, 80.A536-A543.
  10. Saravanan, K., Mason, C.W., Rudola, A., Wong, K.H. and Balaya, P. Advanced Energy Materials, 2012, 3, 244.
  11. Noguchi, Y., Kobayashi, E., Plashnitsa, L.S., Okada, S. and Yamaki, J.-i. Electrochimica Acta, 2013, 101 59. [18] Plashnitsa, L.S., Kobayashi, E., Noguchi, Y., Okada, S. and Yamaki, J.-i. Journal of The Electrochemical Society, 2009, 157, A536-A543.
  12. Bullis, Kevin (December 2, 2009). « Sodium-Ion Cells for Cheap Energy Storage ». Technology Review.
  13. « Aquion Energy : une batterie « salée » pour stocker les énergies renouvelables », sur cleantechrepublic.com,‎ (consulté le 12 octobre 2016).
  14. Ellis, B. L., Makahnouk, W. R. M., Makimura, Y., Toghill, K. et Nazar, L. F., « A multifunctional 3.5V iron-based phosphate cathode for rechargeable batteries », Nature Materials,‎ , p. 749–53 (PMID 17828278, DOI 10.1038/nmat2007, lire en ligne).
  15. « Des batteries sodium pour remplacer le lithium-ion ? », sur cnetfrance.fr,‎ (consulté le 12 octobre 2016).
  16. Kevin Bullis, « A Battery to Prop Up Renewable Power Hits the Market », sur MIT Technology Review,‎ (consulté le 12 octobre 2016).
  17. « A battery made of wood: long-lasting, efficient, environmentally friendly », sur KurzweilAI,‎ (consulté le 12 octobre 2016).
  18. Zhu, H., Jia, Z., Chen, Y., Weadock, N., Wan, J., Vaaland, O., Han, X., Li, T. et Hu, L., « Tin Anode for Sodium-Ion Batteries Using Natural Wood Fiber as a Mechanical Buffer and Electrolyte Reservoir », Nano Letters, no 13 (7),‎ , p. 3093–100 (PMID 23718129, DOI 10.1021/nl400998t, lire en ligne).
  19. « Indian-origin develops paper electrode for sodium-ion battery », sur The Economist Times,‎ (consulté le 12 octobre 2016).
  20. David, L., Bhandavat, R. et Singh, G., « MoS2/Graphene Composite Paper for Sodium-Ion Battery Electrodes », ACS Nano, vol. 8, no 2,‎ , p. 1759–70 (DOI 10.1021/nn406156b).
  21. Johnson, D., « Graphene Composite Offers Critical Fix for Sodium-ion Batteries », IEEE Spectrum Nanoclast,‎ .
  22. « Batterie : le sodium pour remplacer le lithium ? », sur Clubic,‎ (consulté le 12 juin 2016).