L'innovation en matière de cathode fait des batteries sodium-ion une option intéressante pour les véhicules électriques
Une nouvelle conception de cathode pourrait ouvrir la voie à des véhicules électriques écologiques et économiques
Un nouveau matériau cathodique pour les batteries sodium-ion s'inspire de travaux antérieurs menés à Argonne qui ont abouti aux batteries lithium-ion des Chevrolet Volt et Bolt. Il pourrait contribuer à l'approvisionnement en éléments abondants et peu coûteux pour les batteries des véhicules électriques.
Christopher Johnson, Argonne Distinguished Fellow, travaille en laboratoire sur des batteries avancées pour les véhicules électriques et d'autres applications.
Image by Argonne National Laboratory
Comme le savent la plupart des acheteurs à la recherche d'un nouveau véhicule, les véhicules électriques ont généralement un prix relativement élevé. Les batteries lithium-ion qui alimentent le véhicule sont l'un des principaux facteurs de cette dépense. Une réduction significative de ce coût nous rapprocherait de solutions de transport respectueuses de l'environnement et du porte-monnaie.
Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'énergie (DOE) ont inventé et breveté un nouveau matériau de cathode qui remplace les ions lithium par du sodium et qui serait nettement moins cher. La cathode est l'un des principaux éléments d'une batterie. Elle est le siège de la réaction chimique qui crée le flux d'électricité qui propulse un véhicule.
"Notre programme de batteries à Argonne étudie les batteries sodium-ion depuis plus de dix ans maintenant", a déclaré Christopher Johnson, chimiste principal et chercheur émérite à Argonne. Notre conception de la structure de la cathode fait des batteries sodium-ion une alternative attrayante pour des véhicules électriques plus économiques et plus durables.
La percée innovante de l'équipe de recherche de Christopher Johnson, financée en partie par le Vehicle Technologies Office du DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, découle de ses recherches antérieures avec deux autres Argonne Distinguished Fellows - Michael Thackeray (retraité) et Khalil Amine - sur un nouveau matériau de cathode pour les batteries lithium-ion. Cette cathode fait désormais partie des batteries qui alimentent les Chevrolet Volt et Bolt, ainsi que d'autres véhicules électriques.
Le premier matériau de cathode est un oxyde de lithium nickel-manganèse-cobalt (NMC) dont les atomes sont disposés en couches. Cette structure permet d'insérer et d'extraire facilement les ions lithium entre les couches. Ces ions peuvent ainsi se déplacer librement de la cathode à l'anode et inversement pour charger et décharger la batterie.
S'inspirant des recherches antérieures, l'équipe de M. Johnson a inventé une cathode à oxyde en couches adaptée aux batteries sodium-ion. Cette variante de la cathode NMC est un oxyde de sodium nickel-manganèse-fer (NMF) avec une structure en couches pour une insertion et une extraction efficaces du sodium. L'absence de cobalt dans la formule de la cathode atténue les problèmes de coût, de rareté et de toxicité associés à cet élément.
L'intérêt de l'équipe pour les batteries sodium-ion découle de leurs nombreux avantages. Deux d'entre eux sont la durabilité et le coût. Le sodium est naturellement beaucoup plus abondant et facile à extraire que le lithium. Il représente donc une fraction du coût par kilogramme et est beaucoup moins sensible aux fluctuations de prix ou aux perturbations de la chaîne d'approvisionnement. Nos estimations suggèrent qu'une batterie sodium-ion coûterait un tiers de moins qu'une batterie lithium-ion", a déclaré M. Johnson.
En outre, outre le sodium, le matériau de la cathode contient principalement du fer et du manganèse. Ces deux éléments sont abondants à l'échelle mondiale et ne figurent pas sur la liste des espèces menacées.
Un autre avantage est que les batteries sodium-ion peuvent conserver leur capacité de charge à des températures inférieures au point de congélation. Cela permet de remédier à l'un des inconvénients majeurs des batteries lithium-ion existantes. Un autre avantage des batteries sodium-ion est que la technologie de gestion et de fabrication des batteries existe déjà. En effet, leur conception est très proche de celle des batteries lithium-ion.
Il y a un hic à cette batterie merveilleuse", a fait remarquer M. Johnson. Le sodium métal est environ trois fois plus lourd que le lithium, ce qui augmente considérablement le poids de la batterie. Ce poids supplémentaire se traduit par une autonomie réduite.
Jusqu'à présent, ce défaut a empêché les batteries sodium-ion de percer sur le marché des véhicules électriques. Toutefois, par rapport aux autres technologies sodium-ion, la cathode de l'équipe présente une densité énergétique beaucoup plus élevée, suffisante pour alimenter les véhicules électriques sur une distance d'environ 180 à 200 miles avec une seule charge.
M. Johnson a souligné que si la batterie sodium-ion n'intéressait pas forcément ceux qui recherchent une grande autonomie, elle pourrait séduire les consommateurs soucieux de leur budget, en particulier les citadins dont les trajets quotidiens dépassent rarement cette distance.
Un autre défaut des anciennes batteries sodium-ion est leur faible durée de vie. Mais grâce au matériau cathodique mis au point par l'équipe, les cellules des batteries peuvent être chargées et déchargées pendant le même nombre de cycles que leurs homologues au lithium-ion.
"Nous sommes maintenant sortis de la phase de laboratoire et sommes prêts à soumettre notre cathode à des essais dans des cellules de batterie similaires à celles d'une batterie de véhicule électrique réelle", a déclaré M. Johnson. Ces tests seront effectués dans l'installation d'analyse, de modélisation et de prototypage de cellules d'Argonne.
"À partir de là, nous espérons que la cathode NMF suivra la trajectoire de notre cathode NMC et sera choisie pour la fabrication", a déclaré M. Johnson. Son équipe travaille également à la mise au point de matériaux différents pour les deux autres composants principaux d'une batterie - l'électrolyte et l'anode - afin d'augmenter encore la densité énergétique.
Les batteries sodium-ion ont une autre application possible que le transport. En particulier, elles conviennent bien au stockage de l'énergie renouvelable pour une utilisation dans un réseau électrique, où le poids de la batterie est moins important et où le fonctionnement à basse température est un atout. Les batteries pour réseaux électriques constituent un marché en pleine expansion.
Cette avancée technologique souligne l'engagement d'Argonne en faveur de solutions énergétiques durables. Les batteries sodium-ion pourraient atténuer les inquiétudes concernant la disponibilité d'éléments à faible coût pour les futures batteries de véhicules.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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