Les batteries à sel fondu sont résistantes au feu et durables, mais sont-elles un bon choix pour les véhicules électriques ?
Les batteries à sel fondu—communément appelées batteries à sel—existent depuis plus de 40 ans mais ont eu un champ d’application limité.
Découvrez l’intérieur de la batterie à sel de HORIEN. Vidéo gracieusement fournie par HORIEN
La première batterie à sel, connue sous le nom de ZEBRA, a été brevetée en 1978, et son architecture a suscité l’intérêt de diverses industries au fil des ans. À partir de la batterie ZEBRA, les batteries à sel ont évolué à travers plusieurs itérations de développement.
Les batteries à sel ont été jugées inadaptées aux applications d’électromobilité en raison de leur temps de charge trop long. Cependant, elles présentent de nombreux avantages par rapport aux batteries lithium-ion (Li-ion) pour les applications de stockage sur réseau, offrant de meilleures performances que les Li-ions.
Batterie à sel fondu. Image gracieusement fournie par Wikimedia Commons
Qu’est-ce que les batteries à sel ?
Les batteries à sel sont une architecture de batterie au chlorure de métal sodium qui utilise un électrolyte solide non inflammable composé d’un matériau céramique conducteur d’ions à base d’oxyde d’aluminium de sodium. Connue sous le nom de β-céramique, elle sert de séparateur et permet le passage des ions sodium.
La cathode est une cathode à base de métal généralement basée sur le nickel, des sels de nickel et du sel commun (chlorure de sodium). L’anode est une anode en sodium fondu qui ne se forme que lorsque la batterie se charge (et existe sous forme de sel et de poudre de métal lorsqu’elle n’est pas en fonctionnement). La cellule est enfermée dans un boîtier en acier pour empêcher le matériau fondu de s’échapper pendant le fonctionnement et pour maintenir la chaleur. Comme d’autres batteries, les électrons se déplacent via un circuit externe relié à la cellule pendant la décharge et la charge.
Les batteries à sel fonctionnent en faisant fondre le sel dans l’anode pendant la charge, ce qui le rend fondu. Les batteries à sel fonctionnent à environ 250 °C (482 °F), où une réaction se produit qui ne fait que faire fondre l’anode. Le métal nickel et le sel se transforment en chlorure de nickel et en métal sodium. L’équation chimique équilibrée de la réaction est :
2NaCl + Ni → NiCl2 + 2Na
Des températures élevées sont caractéristiques des batteries à sel. Le sodium doit rester fondu pour que la batterie fonctionne, nécessitant une température constante. Cependant, le temps de charge des batteries à sel peut être long. Ces batteries peuvent prendre jusqu’à 11 heures pour atteindre la température de fusion permettant à la batterie de commencer à fonctionner.
Avantages et inconvénients des batteries à sel
Comme toute architecture de batterie, les batteries à sel présentent des avantages et inconvénients distincts. Certains d’entre eux dépendent de l’application.
Un avantage majeur est la sécurité. Bien que les batteries à sel soient chauffées à des températures très élevées, les composants intrinsèques ne brûlent pas et n’explosent pas, et les matériaux utilisés sont non toxiques et non corrosifs. Cela signifie qu’aucun contrôle de température ni composants de protection spécialisés ne sont nécessaires pour garantir la sécurité. La sécurité de la batterie est si robuste qu’elle n’exige pas de tampon de décharge et peut être complètement déchargée sans endommager la batterie. Cela permet aux batteries à sel d’être mises hors service ou complètement déchargées (mise en hibernation) et remises en marche des mois plus tard sans problème.
Fonctionnement de la batterie à sel fondu. Image gracieusement fournie par Sandia National Laboratories
Les batteries à sel ont également de longs cycles de vie de plus de 4 500 cycles de charge et de décharge avec une rétention de capacité de 80 %. Elles sont faciles à éliminer et à recycler car elles sont fabriquées à partir de matériaux naturels facilement disponibles. Les batteries à sel présentent également une densité énergétique élevée, peuvent être installées dans n’importe quel emplacement sec, ont une durée de vie supérieure à 15 ans, et peuvent fonctionner dans une plage d’environnements de température allant de -20° à +60°C (-4° à 140°F).
Naturellement, les batteries à sel ont aussi leurs inconvénients. Un inconvénient est le mécanisme de fonctionnement principal, où la température doit être constamment maintenue au-dessus de 250°C pour fonctionner. Cela nécessite une consommation énergétique importante et constante pour maintenir la température de fonctionnement. De plus, les batteries à sel ne sont pas aussi efficaces pour des courants de charge et de décharge élevés. Elles ne sont adaptées qu’au stockage à court terme et coûtent plus cher que les batteries Li-ion.
Applications sur réseau privilégiées par rapport aux VE
Malgré leur sécurité accrue, les batteries à sel sont limitées à des usages spécifiques. Étant donné qu’elles mettent longtemps à chauffer et à fonctionner, elles sont inadaptées aux véhicules. Lorsqu’elles sont utilisées de façon continue, les batteries à sel utiliseront également jusqu’à 30 % de leur énergie pour rester opérationnelles. Si elles restent allumées en permanence, une batterie à sel se déchargera complètement (d’un état de charge de 100 %) en 80 heures simplement pour tenter de maintenir la température de fonctionnement requise. Une fois déchargée, elle se refroidira et ne sera plus opérationnelle. Ces facteurs rendent les batteries à sel inadaptées aux applications automobiles et aux véhicules industriels, qui nécessitent des batteries avec une recharge plus rapide et une puissance de décharge plus élevée.
Idéalement, les batteries à sel peuvent être utilisées sur une période de décharge de deux à dix heures tout en utilisant une aide au chauffage pour aider à maintenir la température de la cellule (afin que la batterie n’ait pas à utiliser autant de sa propre énergie pour maintenir sa température interne). Une batterie à sel peut être utilisée dans une application où elle peut être connectée en permanence. C’est pourquoi les applications sur réseau sont les plus réalisables, car elles peuvent répondre à ces exigences. Dans les applications sur réseau, les batteries à sel peuvent être utilisées dans des systèmes de stockage d’énergie d’urgence dans des infrastructures critiques, dans des endroits éloignés, et dans des environnements difficiles où les batteries Li-ion ne sont pas autorisées, comme dans les secteurs miniers et de construction de tunnels.
Un projet de l’UE se penche sur des alternatives au nickel
Tandis que le nickel a été l’accent métallique pour l’anode, un projet de l’Union Européenne impliquant HORIEN et Empa explore la possibilité de réduire la teneur en nickel des anodes fondues, car il est classé comme un matériau critique. Le projet HiPerSoNick, en collaboration avec ces entreprises, a fait des avancées, et ils envisagent la possibilité de remplacer complètement le nickel dans l’anode par du zinc.