Volkswagen soutient une start-up chinoise de véhicules électriques pour introduire des batteries au sodium-ion. Cet article examine le fonctionnement des batteries au sodium-ion et passe en revue les avantages et les inconvénients.
Les batteries au lithium-ion alimentent de nombreux produits électroniques, y compris les véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d’énergie électrique renouvelable. Le lithium provient principalement de l’extraction minière de spodumène, principalement en Australie, et de l’évaporation de la saumure dans les plaines salées d’Amérique du Sud. Cela rend le lithium relativement cher.
Les prix du lithium ont fluctué de manière spectaculaire au cours des dernières années avec la généralisation des VE, ce qui a fait augmenter la demande de ce métal. Mais que se passerait-il si les fabricants pouvaient fabriquer une batterie à partir d’un matériau bon marché et abondant – que diriez-vous du sodium ?
Véhicule de JAC Motors alimenté par des batteries au sodium-ion. Image utilisée avec l’aimable autorisation de JAC Motors
Fonctionnement des batteries au lithium
Dans une batterie, le lithium agit comme un transporteur de charge. Le lithium se déplace en tant qu’ion de la cathode (électrode positive) à travers un électrolyte liquide vers l’anode (électrode négative) pendant la charge. Pendant la décharge, le lithium se déplace de l’anode vers la cathode, libérant des électrons pour alimenter un dispositif électronique ou pour propulser un véhicule.
Les anodes des batteries au lithium-ion sont généralement constituées de graphite de carbone. En revanche, les cathodes des batteries au lithium-ion disponibles dans le commerce sont composées d’oxydes de nickel combinés de cobalt et de manganèse ou d’aluminium, ce qui leur confère une densité d’énergie élevée mais relativement coûteuse, fréquemment utilisée dans les VE. Des batteries au lithium-ion à plus faible densité d’énergie, utilisant des cathodes à base de fer et de phosphate (LFP), sont également produites à moindre coût. Elles sont utilisées dans des VE ayant une autonomie plus réduite ou moins performants, ainsi que dans des systèmes de stockage d’énergie par batterie pour les réseaux électriques alimentés par des énergies renouvelables.
Sodium comme transporteur de charge
Le sodium est beaucoup plus abondant que le lithium et plus largement répandu – il est disponible dans de vastes dépôts de sel et dans l’eau de mer. Cette disponibilité généralisée le rend beaucoup moins cher que son voisin du tableau périodique. Le sodium est chimiquement similaire au lithium.
Le développement des batteries au sodium-ion a commencé dans les années 1990. Initialement, la faible densité d’énergie des batteries au sodium-ion a ralenti leur développement, mais récemment, le géant chinois des batteries, Contemporary Amperex Technology Co. Ltd (CATL), a prévu la production d’une batterie au sodium-ion capable d’une densité d’énergie de 160 Wh/kg. L’entreprise prévoit d’augmenter la densité à 200 Wh/kg peu de temps après le début de la production. En comparaison, les batteries au lithium à base de cathodes à base de nickel utilisées par Tesla peuvent produire 260 Wh/kg, tandis que les batteries LFP utilisées par Tesla dans son modèle 3 Standard Range, également produites en Chine, ont une densité d’énergie d’environ 200 Wh/kg.
Batterie au sodium-ion de CATL. Image utilisée avec l’aimable autorisation de CATL
Comparés aux ions de lithium utilisés dans les batteries actuelles, les ions de sodium ont un volume plus important. Cela signifie qu’ils s’insèrent mal dans les matériaux de cathode et d’anode utilisés dans les batteries au lithium-ion, ce qui crée une contrainte excessive dans les matériaux d’électrodes. CATL a développé de nouveaux matériaux de cathode capables d’accueillir les plus grands ions de sodium. Cette amélioration permet de stocker de grandes quantités d’énergie et de permettre des mouvements rapides pour une recharge plus rapide (jusqu’à 80 % d’état de charge en aussi peu que 15 minutes). La batterie présente également des performances supérieures à basse température par rapport aux cellules à base de lithium-ion. De plus, la cathode n’utilise pas de composés coûteux de nickel ou de cobalt, ce qui réduit le coût de la batterie.
Les batteries au sodium-ion dans les VE
Volkswagen soutient une nouvelle marque de VE en Chine appelée Yiwei, qui fait partie du groupe JAC, dont il détient 50 %. Le gouvernement chinois possède les 50 % restants. Le modèle Yiwei 3 à cinq places est doté de cellules au sodium-ion dans un format cylindrique produites par une start-up chinoise appelée HiNa Battery. Il dispose d’un pack de batterie de 25 kilowattheures (kWh) de cellules au sodium-ion avec une densité d’énergie de 120 Wh/kg, offrant au petit VE une autonomie pouvant atteindre 155 miles (250 kilomètres) sur une seule charge. L’entreprise affirme que la recharge de 10 % à 80 % de l’état de charge peut être effectuée en 20 minutes.
Tout comme les batteries LFP remplacent les batteries au lithium-ion à base de nickel dans certaines applications, les batteries au sodium-ion à faible coût pourraient offrir des performances raisonnables pour les petits VE.