Que sont les batteries sodium-ion, et peuvent-elles remplacer le lithium ?

By Matthieu CHARRIER

Les batteries sont de plus en plus cruciales dans la vie de tous les jours, et celui qui trouvera une meilleure batterie aura le monde sur un plateau. Les batteries sodium-ion sont un candidat de choix à la couronne détenue par les batteries lithium-ion, mais qu’est-ce qui les rend si particulières ?

Qu’est-ce qu’une batterie sodium-ion ?

Les batteries sodium-ion sont des batteries qui utilisent des ions sodium (minuscules particules à charge positive) à la place des ions lithium pour stocker et libérer de l’énergie. Les batteries sodium-ion ont commencé à faire preuve de viabilité commerciale dans les années 1990 en tant qu’alternative possible aux batteries lithium-ion, le type couramment utilisé dans les téléphones et les voitures électriques.

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Fonctionnement des batteries sodium-ion

Les batteries sodium-ion, également appelées batteries Na-ion, utilisent une réaction chimique pour stocker et libérer l’énergie électrique. Comme toutes les batteries, elles comportent deux électrodes (une électrode positive et une électrode négative) séparées par un électrolyte, une substance spéciale qui permet aux ions (minuscules particules chargées positivement ou négativement) de se déplacer entre les électrodes.

Les batteries sodium-ion fonctionnent de manière similaire aux batteries lithium-ion, mais elles utilisent des ions sodium au lieu d’ions lithium. Le choix des matériaux pour les électrodes et les électrolytes peut influer sur les performances et la durée de vie de la batterie. C’est pourquoi les chercheurs expérimentent constamment différentes combinaisons pour trouver le meilleur compromis entre coût, performances et sécurité. En général, la cathode (l’électrode négative) et l’électrolyte contiennent du sodium.

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Pourquoi les batteries sodium-ion sont-elles si performantes ?

Les batteries lithium-ion dominent actuellement le marché, et de nombreuses recherches sont en cours pour les rendre encore meilleures. Cependant, les batteries sodium-ion ont quelques avantages distincts sur elles.

Le sodium est un élément beaucoup plus abondant que le lithium, ce qui le rend plus facile et moins cher à obtenir. Les batteries sodium-ion pourraient donc être moins coûteuses à fabriquer que les batteries lithium-ion et, de surcroît, plus respectueuses de l’environnement !
Les batteries sodium-ion ont le potentiel d’offrir une densité d’énergie similaire à celle des batteries lithium-ion, ce qui les rend adaptées à une large gamme d’applications similaires, bien qu’elles n’en soient pas encore là.
Les batteries sodium-ion sont généralement considérées comme plus sûres que les batteries lithium-ion, car elles ont moins tendance à surchauffer et à prendre feu. Bien que plusieurs batteries au lithium expérimentales aient montré une incroyable résistance aux dommages qui feraient exploser les batteries actuelles.

Les inconvénients des batteries sodium-ion

La technologie des batteries parfaites n’existe pas, et il y a quelques raisons pour lesquelles les batteries sodium-ion n’ont pas encore pris le relais du lithium.

Les batteries sodium-ion ont une tension plus faible (2,5 V) que les batteries lithium-ion (3,7 V), ce qui signifie qu’elles ne sont pas forcément adaptées aux applications de haute puissance qui nécessitent une grande quantité d’énergie à fournir rapidement.
Leur taux de charge/décharge est plus lent que celui des batteries lithium-ion, ce qui peut ne pas convenir aux applications nécessitant une grande quantité d’énergie à fournir rapidement (comme les véhicules électriques).
Les batteries sodium-ion ont encore un nombre limité de cycles de charge avant que la batterie ne commence à se dégrader. Certaines batteries lithium-ion (telles que LiFeP04) peuvent atteindre 10 000 cycles avant de se dégrader.

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En dehors de ces avantages et inconvénients techniques, la chaîne de fabrication des batteries sodium-ion a encore quelques problèmes à régler avant de pouvoir devenir un produit commercial répandu. Sans oublier que les ingénieurs et les scientifiques travaillent à trouver des solutions aux points faibles restants de cette technologie de batterie.

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Le potentiel actuel et futur des batteries sodium-ion

Des chercheurs et des entreprises du monde entier s’efforcent d’améliorer les performances et la viabilité commerciale des batteries sodium-ion. Parmi les principaux domaines d’intérêt figurent l’amélioration de la densité énergétique et de la tension des batteries sodium-ion, ainsi que l’augmentation de leur durée de vie et de leur taux de charge/décharge.

Si ces efforts sont couronnés de succès, les batteries sodium-ion pourraient devenir une alternative viable aux batteries lithium-ion à l’avenir. Elles pourraient potentiellement être utilisées dans diverses applications, notamment les appareils électroniques portables, les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie stationnaires.

En 2022, des chercheurs du ministère américain de l’énergie ont fait une percée majeure dans l’amélioration de la durabilité des batteries sodium-ion. En modifiant une partie de la chimie de la batterie, les prototypes de batteries de la taille d’une pièce de monnaie ont duré plus de 300 cycles tout en conservant une capacité supérieure à 90 %. Cependant, même sans cette nouvelle approche de la chimie, il semble que les batteries sodium-ion soient de toute façon sur le point d’être produites en masse.

La production de masse de sodium-ion a déjà commencé

En décembre 2022, il a été signalé qu’une société nommée HiNa, en partenariat avec la société d’État chinoise China Three Gorges Corporation, avait commencé la production de masse de batteries sodium-ion. La première génération de batteries HiNa offre une densité énergétique de 125Wh/kg, soit environ la moitié de celle des batteries lithium-ion. Cependant, ces batteries sont prévues pour environ 4500 cycles de charge, ce qui est nettement plus que les batteries lithium-ion typiques.

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Les batteries lithium-fer phosphate typiques offrent des densités d’énergie similaires à celles des batteries sodium-ion, et le nombre nominal de cycles de charge est également similaire. Cela place les batteries sodium-ion en concurrence directe avec ces batteries pour des applications telles que les onduleurs de secours ou les véhicules électriques.

La prochaine génération de ces batteries HiNa devrait avoir une densité énergétique de 200Wh/kg, et les générations suivantes devraient dépasser ce chiffre. Si l’on considère que certaines voitures électriques utilisant des batteries au lithium ont une densité d’énergie inférieure à 250Wh/kg, ces premières batteries sodium-ion produites en masse ont un potentiel sérieux pour réduire le coût du stockage de l’énergie.

Cependant, tout comme les batteries LiFeP04, ne vous attendez pas à voir cette technologie dans votre smartphone ou votre ordinateur portable de sitôt. Dans ces petits appareils, la densité énergétique reste le critère le plus important. Toutefois, ne soyez pas surpris si votre voiture électrique ou votre système de batterie solaire devient un peu plus salé dans un avenir proche.

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