Développement de la première batterie sodium tout solide sans anode au monde
(pme.uchicago.edu)- Une équipe de recherche collaborative du laboratoire de Y. Shirley Meng à l’UChicago PME et de l’UC San Diego a combiné une architecture sodium + électrolyte solide + sans anode, rapprochant la possibilité de batteries bon marché, à charge rapide et à haute capacité pour les véhicules électriques et le stockage sur réseau
- En utilisant du sodium abondant à la place du lithium et en supprimant l’anode, l’approche vise à réduire les coûts et l’impact environnemental, tout en misant sur une conception tout solide pour assurer sécurité et puissance
- L’article paru dans Nature Energy indique que la nouvelle architecture a montré un cyclage stable pendant plusieurs centaines de cycles, l’élément clé étant d’avoir réuni en une seule structure trois concepts de batteries jusqu’ici mis en œuvre séparément
- Le point crucial de la conception est que, plutôt que de laisser l’électrolyte entourer le collecteur de courant, c’est un collecteur de courant en poudre d’aluminium qui entoure l’électrolyte, afin d’obtenir un contact étroit comme avec un liquide tout en restant dans un système solide
- Les chercheurs estiment que cette approche constitue une étape vers la réduction de l’écart d’échelle des batteries nécessaire pour remplacer les combustibles fossiles, et ont déjà déposé un brevet via l’UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
Combiner sodium, solide et sans anode dans une seule architecture
- Le Laboratory for Energy Storage and Conversion du laboratoire de Y. Shirley Meng à l’UChicago Pritzker Molecular Engineering a créé la première batterie sodium tout solide sans anode au monde
- Le LESC est une structure de collaboration entre l’UChicago Pritzker School of Molecular Engineering et l’Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering de l’UC San Diego
- Les batteries sodium, les batteries tout solide et les batteries sans anode existaient séparément, mais aucun cas de combinaison réussie de ces trois idées n’avait encore été démontré
- L’article Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery, publié dans Nature Energy, montre que la nouvelle architecture a affiché un cyclage stable pendant plusieurs centaines de cycles
Pourquoi chercher à réduire la dépendance au lithium
- Le lithium est présent dans la croûte terrestre à environ 20 ppm, contre environ 20 000 ppm pour le sodium, qui est donc bien plus abondant
- Avec la hausse de la demande en batteries lithium-ion pour les ordinateurs portables, les téléphones mobiles et les véhicules électriques, la pression sur les prix et l’approvisionnement en lithium s’est accrue, rendant plus difficile l’obtention des volumes de batteries nécessaires
- Les gisements de lithium sont concentrés dans certaines régions
- Le Lithium Triangle du Chili, de l’Argentine et de la Bolivie représente plus de 75 % de l’approvisionnement mondial en lithium
- D’autres gisements se trouvent en Australie, en Caroline du Nord, au Nevada, etc.
- L’extraction du lithium peut provoquer des dommages environnementaux, qu’il s’agisse d’acides industriels utilisés pour traiter le minerai ou de méthodes d’extraction à partir de saumures qui pompent d’importants volumes d’eau vers la surface avant évaporation
- Le sodium est courant dans l’eau de mer et via l’extraction du carbonate de sodium, ce qui en fait une option jugée plus respectueuse de l’environnement comme matériau de batterie
Ce que les batteries sans anode gagnent et perdent
- Les batteries traditionnelles possèdent une anode qui stocke les ions pendant la charge ; lors de l’utilisation, les ions se déplacent de l’anode à travers l’électrolyte vers la cathode, qui sert de collecteur de courant, pour alimenter appareils et véhicules
- Les batteries sans anode suppriment l’anode et stockent directement les ions sous forme de dépôt électrochimique de métal alcalin sur le collecteur de courant
- Cette approche permet une tension de cellule plus élevée, un coût de cellule plus faible et une densité énergétique supérieure, mais rend plus difficile le contact entre l’électrolyte et le collecteur de courant
- Le problème de contact varie fortement selon le type d’électrolyte
- Les électrolytes liquides peuvent mouiller les surfaces et s’écouler partout, ce qui facilite le contact
- Les électrolytes solides ne peuvent ni s’écouler ni mouiller les surfaces de la même manière
- Les électrolytes liquides entraînent l’accumulation d’une couche interfaciale électrolyte solide et consomment continuellement la matière active, ce qui réduit l’utilité de la batterie avec le temps
Une conception de collecteur de courant en poudre d’aluminium
- Les chercheurs ont choisi une structure dans laquelle, au lieu que l’électrolyte entoure le collecteur de courant, c’est le collecteur de courant qui entoure l’électrolyte
- Le collecteur de courant est fabriqué en poudre d’aluminium, un solide capable de s’écouler comme un liquide
- Lors de l’assemblage de la batterie, la poudre est densifiée sous haute pression pour former un collecteur de courant solide tout en conservant avec l’électrolyte un contact comparable à celui d’un liquide
- Cette structure pourrait permettre un cyclage à faible coût et à haut rendement, et accélérer le développement des batteries sodium tout solide
- Les batteries sodium tout solide sont généralement considérées comme une technologie de très long terme, mais ce résultat montre qu’elles peuvent réellement bien fonctionner, ce qui pourrait stimuler davantage la recherche dans ce domaine
Montée en échelle et voie vers la commercialisation
- Selon Meng, il faudrait produire 1 TWh d’énergie pour faire fonctionner les États-Unis pendant une heure, et la décarbonation de l’économie nécessiterait des batteries à l’échelle de plusieurs centaines de TWh
- Cette recherche est considérée comme une avancée scientifique destinée à combler le déficit de montée en échelle des batteries nécessaire pour faire basculer l’économie mondiale hors des combustibles fossiles
- Meng imagine un futur où diverses options de batteries propres et bon marché, déployées à l’échelle des besoins de la société, permettront de stocker l’énergie renouvelable
- Meng et Grayson Deysher ont déposé un brevet sur cette recherche via l’UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
- Le soutien à la recherche a été fourni par la National Science Foundation via la subvention Partnerships for Innovation n° 2044465
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Le prix du lithium a en fait chuté de 80 % au cours des deux dernières années ; sur ce point, l’article est donc faux au regard de la situation actuelle.
« Le lithium, couramment utilisé dans les batteries, n’est pas si courant. Il est présent à environ 20 ppm dans la croûte terrestre, contre 20 000 ppm pour le sodium.
Cette rareté, combinée à l’explosion de la demande de batteries lithium-ion pour ordinateurs portables, téléphones mobiles et véhicules électriques, a fait flamber les prix, rendant plus difficile l’obtention des batteries nécessaires. »
Source : https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...
Cela dit, comme il s’agit d’un texte de communication universitaire, c’est assez typique : on grossit à la fois le problème évité et l’impact obtenu.
Sur le fond, les batteries sans anode ont beaucoup de caractéristiques souhaitables, donc c’est un résultat d’ingénierie digne d’intérêt. Les matériaux sont notamment assez accessibles pour que plusieurs pays puissent s’approvisionner eux-mêmes en matières premières et fabriquer des batteries, et elles ne se dégradent pas de manière exothermique en cas de perte d’intégrité de la cellule, ce qui les rend plus adaptées aux voitures que les batteries au lithium actuelles.
Le prochain obstacle, celui sur lequel beaucoup d’innovations de batteries échouent, est le coût de production de masse. Si l’on peut descendre à 1 $/kWh comme je l’ai vu hier, on verra beaucoup de ces batteries.
Ils ne prévoient pas un léger excédent, mais un surplus important, avec des prix en baisse ; les batteries nouvelles et chères auront particulièrement du mal à rivaliser alors que les fabricants établis baissent leurs prix.
Dans les prochaines années, on va fabriquer plus de batteries que tout ce qui a été produit jusqu’ici. La production passe d’un peu moins de 1 TWh par an à plusieurs TWh. Bloomberg NEF estime la demande de l’an prochain à environ 1,6 TWh/an et suit des investissements liés à de nouvelles usines représentant 7,9 TWh/an. Elles ne seront pas toutes construites, mais c’est une capacité énorme, et cela implique aussi une forte demande de lithium. Pourtant, comme indiqué, les prix baissent. Parce qu’il y a assez de lithium et qu’il n’est plus rare.
Le lithium est abondant dans des pays comme le Chili et la Bolivie, mais le plus grand producteur réel est l’Australie. Le Chili est sur le point de céder sa deuxième place à la Chine : https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
Tout cela, c’est avant même de considérer les chimies de batteries qui n’utilisent pas de lithium. Les ions sodium semblent assez prometteurs aujourd’hui. Ils ne nécessitent ni lithium, ni cobalt, ni nickel, et sont déjà utilisés dans des voitures bon marché et dans le stockage réseau. Pour le stockage réseau en particulier, les batteries à base de lithium ne sont pas forcément le choix le plus naturel.
Je ne connais pas bien l’électricité, mais il me semble qu’il faut une anode pour que les électrons circulent.
Wikipedia dit qu’« à la place, une anode métallique est créée lors de la première charge ».
Ce n’est pas encore totalement clair pour moi, mais ça semble avoir un certain sens.
La phrase complète de Wikipedia est : « Une batterie sans anode (AFB) est une batterie fabriquée sans anode. À la place, une anode métallique est créée lors de la première charge. »
Ça fait un peu penser au « serverless » ;)
Quand la batterie a de la charge, une partie du sodium métallique joue le rôle d’anode. Lorsqu’elle est complètement déchargée, le sodium s’est déplacé vers la cathode, donc il n’y a plus d’anode.
Je ne vois pas pourquoi le fait qu’« une anode métallique soit créée lors de la première charge » devrait susciter de l’enthousiasme.
Ce n’est pas sarcastique : j’aimerais vraiment une explication comme si j’avais 5 ans.
Na4MnCr(PO4)3
Le chrome est 5 fois plus abondant que le lithium dans la croûte terrestre (0,01 % contre 0,002 %). C’est mieux, mais l’écart ne semble pas énorme
Les batteries sodium-ion « classiques » utilisant du bleu de Prusse semblent avoir le gros avantage de ne pas recourir à des éléments rares. Ce serait intéressant d’avoir une comparaison entre cette chimie tout-solide et l’approche classique
Les énergies libres de Gibbs de formation des oxydes de chrome et de la chromite sont bien plus négatives que celles des minéraux contenant du lithium ; les composés du Cr ont donc tendance à précipiter thermodynamiquement dans les magmas et les solutions, à former des minerais à forte concentration, puis à être remontés par d’autres processus. Li+, avec son seul électron de valence, forme moins facilement des liaisons relativement fortes ou des phases minérales très stables
De plus, les coefficients de diffusion des espèces de Cr dans le magma et les roches sont généralement inférieurs de plusieurs ordres de grandeur à ceux du Li. Le Cr est piégé tôt dans des structures cristallines et y reste, tandis que le Li continue à migrer et à diffuser sous forme de minéraux solubles dans l’eau. Il existe aussi des cycles biogéochimiques par lesquels des micro-organismes peuvent concentrer le Cr dans les sédiments
[0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
Son extraction peut être pénible, mais ce n’est pas une matière vouée à s’épuiser
Il est aussi important de savoir s’il s’agit de chrome trivalent, hexavalent ou d’une autre forme
Chromium > Precautions:
https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions
La prépublication de l’article est ici : https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...
La formulation du type « l’extraction du lithium est aussi nocive pour l’environnement. L’extraction à partir de saumures pompe d’énormes quantités d’eau à la surface pour les faire sécher » me paraît un peu exagérée
Pomper de l’eau dans le lit d’un lac asséché où il y a peu de vie pour la faire s’évaporer se situe plutôt dans le bas de l’échelle des impacts environnementaux de l’extraction minière. Je me demande comment cela se compare à l’extraction du sodium
Pour le sodium, on peut faire évaporer de l’eau de mer dans des bassins, mais cette méthode détruit des zones humides. Il y en a beaucoup autour de la baie de San Francisco, et certaines sont en cours de restauration vers leur état d’origine
« Environmental impact of direct lithium extraction from brines » dans Nature Reviews Earth & Environment (2023), PDF : https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
On ne dit rien de la densité énergétique, du volume ni des cycles de charge
Cette annonce est une avancée scientifique, pas un produit fini grand public
Donc on en est encore au stade expérimental, et une version produit ne sortira probablement pas d’ici un an, voire prendra sans doute plus longtemps. Les produits se spécialisent naturellement selon plusieurs catégories — durée de vie, poids, capacité, etc. — et c’est à ce moment-là que ces indicateurs deviennent pertinents. D’ici là, ce n’est qu’un résultat expérimental avec des métriques comparables à celles d’expériences précédentes
Le graphique montre une densité d’environ 400 Wh/kg et environ 800 Wh/L. Ce sont des valeurs correctes pour le stockage sur réseau
L’article https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 est malheureusement derrière un paywall
À voir. Le succès d’une technologie de batterie dépend de la question de savoir si, à une taille pratique, les réactions de surface sales et complexes pendant les cycles de décharge sont réellement réversibles
J’espère vraiment que c’est une vraie percée, mais je m’attends à ce que le premier commentaire souligne un point important que cette batterie ne pourra pas assurer dans le monde réel
La plupart des entreprises de batteries tout solides à base de lithium dont on a entendu parler pendant le cycle de hype avaient des batteries tout solides dont le nombre de cycles et la densité semblaient bons, mais elles étaient essentiellement de la taille d’une pile de montre
Mais elles n’ont pas réussi à passer à l’échelle. Autrement dit, elles ne pouvaient pas fabriquer les grandes batteries utilisées par les véhicules électriques modernes, ni produire en masse des batteries dans des formats réellement utilisés
Cela dit, ça semble très prometteur
Le résumé se termine par : « cette architecture de cellule sert d’orientation future pour d’autres chimies de batteries afin de rendre possibles des batteries à faible coût, à haute densité énergétique et à charge rapide ». C’est une recherche fondamentale importante, et exploratoire
Un jour, les universités devront vraiment repenser leur façon de communiquer sur la recherche. À tout le moins, il faudrait adoucir les titres qui donnent l’impression de venir d’une startup douteuse plutôt que d’un labo
Ce qui compte dans les batteries, ce sont l’échelle et le coût total. Même si les éléments sont moins chers, l’important est de savoir si l’on obtient un produit nettement meilleur ou moins cher que le standard actuel. Il suffit de regarder l’essor du LFP
Il est aussi crucial de savoir si l’on peut utiliser les usines et les techniques de fabrication existantes, ou s’il faut en inventer ou en construire de nouvelles. On entend parler de batteries tout solides depuis 15 ans, mais rien n’est encore sorti à une échelle suffisante
Si les batteries tout solides décollent, ce sera probablement d’abord dans l’aviation électrique et les supercars, où le coût peut être masqué par le prix plus élevé des produits et où une densité plus élevée est nécessaire
Si « un cyclage stable pendant des centaines de cycles » est exact, on est à un ordre de grandeur d’une batterie réellement utilisable
J’aimerais que cela réussisse commercialement et fasse complètement disparaître les procédés sales liés à la fabrication et au déploiement des batteries au lithium
J’espère que cela nous rendra moins dépendants de la Chine et de pays aux pratiques de travail douteuses, comme le travail des enfants ou des règles de sécurité quasi inexistantes
Avertissement : j’espère vraiment que ces batteries réussiront