Avec la production exponentielle de voitures électriques (près de 7 millions de VE vendus en 2022), la tension sur le lithium devient considérable, au point que certains experts pronostiquent des ruptures d'approvisionnement pour 2030. De plus le prix du lithium a explosé : World of Statistics indique que le prix de l'hydroxyde de lithium était passé à 78 032 dollars la tonne métrique (t) en 2022 contre 6 800 dollars en 2019.

 

Actuellement plusieurs types de batteries alternatives -avec ou sans lithium - sont testées en laboratoire.

Parmi celles-ci, la batterie Na-ion (SIB) est la plus avancée et certains opérateurs comme le chinois CATL ont atteint la phase de production industrielle.

 

Le sodium est, comme le lithium un métal alcalin, mais la taille de l'atome est supérieure. Sur le principe le fonctionnement de cette batterie est analogue à celui des batteries actuelles Li-ion.

 

Malheureusement, jusqu'à présent la densité énergétique fournie par les piles Na-ion était très en dessous des capacités des dernières batteries au lithium : entre 70 et 100 Wh/kg contre 200 à 280 Wh/kg.

 

Mais cela est en train de changer, de nombreuses publications scientifiques annoncent déjà des densités de l'ordre de 150 Wh/kg et l'objectif des 200 Wh/kg paraît atteignable à court terme.

 

Cela change tout ! En effet le sodium est largement présent sur la planéte (1000 fois plus que le lithium) et beaucoup moins cher. De plus la constitution de piles Na-ion permet de se passer de métaux rares, chers, à l'extraction polluante, comme le cobalt, le nickel ou le cuivre.

 

Les batteries Na-ion pourraient donc avoir le potentiel d'atténuer une partie de la pression sur la chaîne d'approvisionnement sur les batteries LFP  (Lithium-Fer-Phosphate) et les nouvelles batteries Li-ion contenant du nickel, du manganèse et du cobalt.

 

Pour ce qui est des matériaux utilisés dans les batteries Na-ion 1G de CATL, la cathode est constituée d’un pigment appelé Blanc de Prusse (Prussian white) qui comporte du fer, du carbone, de l’azote et du sodium, donc, pas de nickel, ni de cobalt. L’anode est faite de carbone dur (hard carbon), car le graphite n’accepte pas suffisamment d’ions sodium. Ils ont réussi à rendre le carbone dur très poreux, avec un procédé spécial, pour pouvoir emmagasiner beaucoup d’ions sodium. Il n’y a, bien sûr, pas de lithium non plus.

Par ailleurs, les bandes minces de cuivre qui agissent comme collecteur de courant à l’électrode négative (anode) sont remplacées par des bandes d’aluminium, car le sodium ne réagit pas avec ce métal. Donc, pas de cuivre non plus.

 

 

Cette batterie a de nombreux autres avantage :

- risque d'incendie bien moindre,

- plage de fonctionnement plus large, notamment à basse température,

- temps de charge très rapide ( 80% en 15 minutes)

- nombres de cycles possibles très élevés (deux fois plus que Li-ion).

 

Voici ce que vient d'annoncer le chinois CATL pour le produit qu'il va lancer en 2023 :

 

« Basée sur une série d’innovations dans le système chimique, la première génération de batteries sodium-ion de CATL présente les avantages d’une haute densité énergétique, d’une capacité de charge rapide, d’une excellente stabilité thermique, d’une grande performance à basse température et d’une grande efficacité d’intégration, entre autres.

La densité énergétique des cellules de la batterie sodium-ion de CATL peut atteindre 160Wh/kg, et la batterie peut se charger en 15 minutes pour atteindre 80 % de sa capacité de stockage à température ambiante. De plus, dans un environnement à basse température de -20°C, la batterie sodium-ion a un taux de rétention de capacité de plus de 90%, et son efficacité d’intégration du système peut atteindre plus de 80%. La stabilité thermique des batteries sodium-ion dépasse les exigences de sécurité nationales pour les batteries de traction…

L’objectif de développement de la densité énergétique de la prochaine génération de batteries sodium-ion est de dépasser 200Wh/kg.» 

 

Il faut noter que la fabrication des batteries Na-ion est parfaitement compatible avec les équipements de production des batteries Li-ion.

 

CATL développe aussi un système de batterie hybride, qu’ils ont dénommé AB, amalgamant dans un même bloc batterie des cellules Li-ion et des cellules Na-ion, pour augmenter la densité d’énergie grâce aux cellules Li-ion, et les performances au froid grâce aux cellules Na-ion, un heureux mariage.

 

Selon plusieurs sources, le constructeur chinois BYD commercialiserait trois petites voitures tout électrique équipées de batteries Na-ion en 2023, avec des autonomies de 300 km. Il s’agit des modèles Seagull, Qin EV et Dolphin.

 

La Seagull aurait deux options de batteries, Na-ion  à 300 km d’autonomie ou Li-ion à 400 km d’autonomie, se vendant respectivement 8 500$ et 11 300$.

 

Effectivement, dans un premier temps, ces batteries encore moins performante sur le plan énergétique pourraient être destinée à de petites voitures pour des trajets urbains et periurbains.

 

Outre les laboratoires universitaires, Au moins deux autres compagnies développent des batteries Na-ion dont les performances s’approche des batteries Li-ion. Il s’agit de Faradion au Royaume Uni et Tiamat Energy en France. 

 

Faradion, fondée en 2011, achetée en décembre 2021 par le gros conglomérat indien Reliance, offre une batterie Na-ion proche des performances des premières batteries Li-ion. Sur leur site, on apprend qu’ils ont obtenu une densité d’énergie de 160 Wh/kg pour leur première génération de batterie et qu'ils pensent atteindre 190 Wh/kg pour la deuxième génération, testée en laboratoire. 

 

Leurs batteries peuvent être rechargées plus de 2 700 fois à 75 % de profondeur de décharge, avant de perdre 20 % de capacité. De plus, elles sont capables de recharges rapides, inférieures à 20 minutes.

 

Sans citer de chiffres, le site mentionne que leurs batteries Na-ion ont démontré une excellente rétention de leur capacité sur une gamme de température de -20°C à +60°C. Pour ce qui est du coût, Faradion affirme, dans un communiqué de presse, que le coût total de propriété est comparable à celui des batteries plomb-acide.

 

Le français Tiamat Energy, fondée en 2011, est issu d’un consortium international de recherche dont les unités RS2E et LRCS d’Amiens, le CNRS, le CEA et le Collège de France,  a proposé un premier prototype fonctionnel de piles Na-ion en 2015.

 

 RS2E est le leader français de la recherche sur les batteries et supercondensateurs. Soutenu par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche et par le CNRS, il assure une collaboration inédite entre chercheurs, établissements publics et industriels

 

Tiamat s’intéresse maintenant à des applications pour les véhicules hybrides et indique que leurs batteries pourraient également équiper des automobiles 100% électrique urbaines avec des autonomies de l’ordre de 200 km, pouvant recharger en 5 minutes.

Le groupe vient de signer un accord avec le groupe français Startec pour la fabrication de blocs batterie dans des applications de puissance.

 

Leur objectif est de démarrer une usine de production en France pour 2025 et d'avoir une capacité de production de 5 GWh par année en 2030, ce qui pourrait faire rouler 150 000 VÉ de 200 km d’autonomie (batteries de 33 kWh).

 

Pour ce faire, cette start-up basée à Amiens est en passe de boucler une levée de fonds de 100 millions d’euros, qui lui permettra d’honorer les commandes qui commencent à arriver.