Une nouvelle étude montre qu'une batterie commerciale sodium-ion produite par une entreprise chinoise peut rivaliser avec la batterie lithium-ion de Tesla en termes de cohérence de fabrication et de multiples indicateurs de performance clés, ouvrant ainsi des perspectives à cette nouvelle technologie de batterie à faible coût pour accélérer son application dans les véhicules électriques et le stockage d'énergie sur réseau. L'équipe de recherche a souligné que si de nouvelles percées pouvaient être réalisées dans les capacités de charge à basse température et la densité énergétique, les batteries sodium-ion devraient devenir une alternative plus rentable dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle.
L'étude, publiée dans Cell Reports Physical Science, une revue de Cell Press, est basée sur une batterie commerciale sodium-ion utilisée dans des voitures particulières et dans des projets de stockage d'énergie à grande échelle en Chine. Les résultats montrent que cette batterie lancée par la société chinoise Hina est proche du niveau des batteries lithium-ion actuellement utilisées par Tesla en termes d'uniformité du processus de fabrication et de performances globales. Les chercheurs pensent que cette découverte signifie que l’industrialisation de la technologie sodium-ion sera plus rapide que prévu auparavant par de nombreux acteurs de l’industrie.
Moritz Schütte, chercheur en batteries à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle en Allemagne, a déclaré que la cohérence, les performances à haut débit et les performances à basse température de ce lot de cellules les rendent attrayantes pour le stockage d'énergie stationnaire, les services auxiliaires du réseau et les véhicules utilitaires ou à courte distance qui sont relativement insensibles aux exigences d'endurance, mais sont davantage préoccupés par le coût et l'approvisionnement en ressources. Au niveau matériel, la technologie sodium-ion utilise le sodium au lieu du lithium comme ion porteur de courant central. Avec l’aide du sodium, un élément largement répandu et plus abondant, il devrait réduire considérablement le coût des matières premières des batteries et atténuer les risques à long terme de la chaîne d’approvisionnement.
Afin d'évaluer l'écart entre cette batterie sodium-ion Zhongke Hainan et la batterie au lithium avancée de Tesla, l'équipe de recherche a effectué un test systématique sur 120 cellules et a utilisé des méthodes de contrôle non destructives telles que la spectroscopie d'impédance électrochimique pour évaluer leur cohérence de fabrication. L’équipe a ensuite testé la puissance et la production d’énergie des cellules de la batterie à différents taux de charge et températures allant de −20°C à 45°C dans des conditions simulant une utilisation réelle. Grâce à l'imagerie aux rayons X et à l'analyse du démontage, les chercheurs ont également soigneusement caractérisé la structure interne de la batterie, la taille des pièces polaires, la composition des matériaux et les caractéristiques microscopiques.
Les résultats de l'analyse montrent que la conception structurelle de la batterie sodium-ion est assez mature, utilisant des conceptions telles que des oreilles sans électrodes et des collecteurs de courant doubles en aluminium pour réduire la résistance interne et améliorer l'uniformité de la répartition de la température. Sa disposition générale est très similaire à l’architecture actuelle des batteries Tesla. Schütte a déclaré sans ambages que l'équipe avait été "agréablement surprise" par la cohérence de ce lot de cellules, estimant que leur niveau de fabrication avait largement dépassé l'impression traditionnelle des "premiers produits commerciaux sodium-ion". À des cadences élevées, les capacités de sortie de la batterie sodium-ion sont également meilleures que celles que les chercheurs attendaient généralement pour les premiers produits commerciaux.
Malgré ses performances impressionnantes, les recherches soulignent également que la batterie sodium-ion présente encore des inconvénients majeurs par rapport aux batteries lithium-ion haut de gamme. En termes de charge à basse température, les performances de la batterie sont encore insuffisantes. Les applications qui se chargent fréquemment dans des conditions de basse température ambiante nécessitent des stratégies de gestion thermique et des plans d'exploitation plus sophistiqués. L’équipe de recherche a également détecté une teneur en cuivre anormalement élevée et inégalement répartie dans des zones locales de la cathode, ce qui a soulevé d’autres questions sur son rôle dans les performances à long terme et le comportement au vieillissement.
À l'heure actuelle, les batteries sodium-ion commerciales sont encore à la traîne des produits lithium-ion les plus avancés en termes de densité énergétique, et la maturité des technologies associées est également relativement faible. Cependant, les recherches montrent que ce type de batterie peut toujours maintenir de bonnes performances de sortie dans des environnements à basse température et à charge élevée, ce qui lui confère des avantages potentiels dans le stockage d'énergie stationnaire et dans les applications automobiles fonctionnant dans des zones froides. Schütte a déclaré qu'à l'avenir, l'attractivité de la technologie sodium-ion sera encore renforcée si elle parvient à maintenir une densité énergétique compétitive tout en éliminant la dépendance à l'égard de métaux tels que le nickel et le cuivre.
Dans la prochaine étape, l'équipe de recherche prévoit de se concentrer sur l'amélioration du comportement de charge des batteries sodium-ion dans des environnements inférieurs à 0°C afin d'obtenir une charge plus sûre et plus efficace dans des conditions de froid extrême. En termes de systèmes de matériaux, l’amélioration des formules d’anodes et d’électrolytes en carbone dur est considérée comme l’une des directions les plus prometteuses. Des recherches pertinentes ont été financées par le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l'Espace et le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie, montrant que la recherche scientifique et les ministères européens accordent une attention particulière au potentiel des voies ioniques sodium dans le paysage technologique des batteries de nouvelle génération.