Le CNRS et le CEA ont développé une batterie Sodium-Ion
07/01/2016
Après 2 ans de recherche, une équipe française impliquant principalement des chercheurs du CNRS et du CEA au sein du réseau RS2E (Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie1) vient de mettre au point une technologie offrant une alternative aux batteries lithium-ion dans certains secteurs.
Ces chercheurs ont développé la première batterie utilisant des ions sodium au format 18650, un format standard (un cylindre de 1,8 cm de diamètre sur 6,5 cm de hauteur) utilisé notamment dans les ordinateurs portables... ou dans les voitures électriques. Son principal avantage est d'utiliser un élément beaucoup plus abondant et moins coûteux que le lithium. Dotée de performances comparables aux batteries lithium-ion, cette nouvelle technologie intéresse déjà les industriels. Elle pourrait à l'avenir permettre le stockage d'énergies renouvelables.
Les batteries au sodium reviennent pourtant de loin. À la fin des années 1980, cette technologie avait en effet été écartée au profit du lithium, dont la supériorité semblait évidente à tous : 3 fois plus légers que les ions sodium, les ions lithium permettent de fabriquer des batteries poids plume, un atout indéniable pour l'électronique nomade. Seul inconvénient du lithium : sa relative rareté et sa localisation limitée à quelques pays (Colombie, Chili, Chine).
Des équipes du réseau RS2E porté par le CNRS se sont donc tournées vers le sodium, mille fois plus abondant. S'inspirant des batteries lithium-ion, elles ont conçu des batteries sodium-ion dans lesquelles des ions sodium transitent d'une électrode à l'autre dans un milieu liquide.
La première étape a consisté à trouver la recette idéale de l'électrode positive (cathode) de cette batterie. Elle a principalement impliqué six laboratoires du réseau RS2E, tous réunis autour du même objectif : identifier la composition adéquate de cette électrode principalement constituée de sodium. La mise au point d'un prototype a été confiée au CEA, membre du RS2E. Seulement six mois ont été nécessaires pour mettre au point le premier prototype de batteries sodium-ion au format « 18650 », celui des batteries lithium-ion actuellement commercialisées, un cylindre de 1,8 cm de diamètre sur 6,5 cm de hauteur. Cela devrait permettre un transfert facilité au sein des usines de fabrication actuelles. Plusieurs laboratoires internationaux travaillent également sur cette technologie mais aucun n'a aujourd'hui annoncé la réalisation de prototype de ce format.
Cette deuxième étape a permis de passer du laboratoire à une échelle pré-industrielle. Elle a rendu possible la fabrication de cellules produisant une puissance inégalée pour ce type de batteries. La densité d'énergie atteint en effet 90Wh/kg, un chiffre comparable à celui des premières batteries lithium-ion ou aux batteries Li-ion fer/phosphate.
Quant à la durée de vie, elle est de plus de 2000 cycles (charge et décharge sans perte de performance). Surtout, cette batterie est capable à la fois de se charger très rapidement et de restituer son énergie très vite. Enfin, l'autre avantage est financier compte tenu de l'abondance du sodium. Cela pourrait permettre de produire des batteries moins coûteuses et d'accélérer l'essor des voitures électriques et c'est pourquoi plusieurs constructeurs dont Renault sont impliqués dans le projet également.
L'ensemble de ces travaux a fait l'objet de plusieurs publications et brevets déposés par le CNRS et le CEA. Il a bénéficié des soutiens notamment du ministère de l'Education nationale, de l'Enseignement supérieur et de la Recherche, du CNRS, du CEA, de l'ANR (Agence nationale de la recherche) et de la DGA (Direction générale de l'armement).
« Pour le lithium, toute la recherche fondamentale s’était faite en Europe, notamment en France, se souvient Jean-Marie Tarascon, chimiste du solide au CNRS. Pourtant, c’est au Japon que le transfert de technologie et la commercialisation ont eu lieu, permettant à Sony de lancer sa première batterie lithium-ion en 1991. Résultat : 95 % de la fabrication Li-ion se fait aujourd’hui en Asie… ». L'objectif affiché est cette fois d'assurer la recherche ET le développement, afin de pouvoir lancer la commercialisation des batteries sodium-ion sur le sol européen, dès que celles-ci seront prêtes.
Mais le CNRS n'est pas sel sur les rangs, Toyota travaille aussi à un prototype de batterie de voiture sodium-ion, tandis que la start-up anglaise Faradion et l’université d’Oxford ont fait cette année une première démonstration de vélo électrique à batterie sodium-ion.
Le Sodium, un nouvel avenir pour les batteries ! par CNRS
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