Cette batterie à sels fondus garde toute son énergie en hibernation

Des chercheurs américains et français ont mis au point une nouvelle batterie à sels fondus qui conserve sa charge quand elle est refroidie. Ainsi, elle pourrait être utilisée pour accumuler l'excédent de production d'électricité pendant une saison pour la libérer plus tard dans l'année.

Etats-Unis

Les batteries à sels fondus intéressent beaucoup les scientifiques car elles sont fabriquées avec des matériaux communs, et peuvent être utilisées à grande échelle. Elles pourraient notamment être branchées sur le réseau électrique pour compenser les aléas des énergies renouvelables. Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratoryont mis au point une nouvelle batterie à sels fondus destinée à un usage saisonnier. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Cell Reports Physical Science.Cette nouvelle batterie est destinée à stocker tout excès de production, par exemple du solaire en été. Une fois chargée, elle est mise en hibernation et peut restituer l'énergie emmagasinée plus tard, par exemple en hiver. Les chercheurs ont utilisé une anode en aluminium et une cathode en nickel, avec un électrolyte à sels fondus contenant du soufre. Ce genre de batterie contient le plus souvent un séparateur en céramique, mais les chercheurs ont opté pour de la fibre de verre, plus durable et moins chère.

La France, parmi les pays en pointe

Une équipe menée en 2015 par le CNRS et le CEA a développé le premier prototype au format industriel d'une batterie sodium-ion, une technologie peu onéreuse qui conviendrait particulièrement au stockage d’énergies renouvelables.Toutefois, les chercheurs français ne sont pas les seuls à se creuser les méninges. Leurs homologues japonais sont actuellement en pointe dans ce domaine. Toshiba, par exemple, mène des recherches pour une batterie sodium-ion destinée à la voiture électrique. La startup britannique Faradion, qui est financée entre autres par Sharp, a présenté récemment un vélo électrique basé sur une batterie sodium-ion.

L’avenir du stockage énergétique, serait-il caché dans nos petits pots de sel ? Une équipe de chercheurs français menée par le CNRS et le CEA vient en effet de présenter la première batterie sodium-ion au format industriel 18650, l’une des tailles standards utilisées pour les batteries lithium-ion. C’est-à-dire un cylindre de 1,8 cm de diamètre et 6,5 cm de hauteur. L’avantage du sodium, c’est qu’il est presque 1000 fois plus abondant que le lithium, et donc beaucoup moins cher. Il est réparti un peu partout dans la croûte terrestre. L’eau de mer en regorge également sous forme de chlorure de sodium. A contrario, le lithium ne se trouve qu’à certains endroits de la planète comme la Colombie, la Chine ou le Chili. Or, les besoins en batteries ne cessent de croître, avec l’informatique mobile évidemment, puis maintenant avec les voitures électriques qui, une fois largement utilisées, risquent de créer un envol du cours du lithium.

Le problème, c’est que les ions sodium ne sont, à première vue, pas aussi performants que les ions lithium. Les piles au lithium permettent d’obtenir une plus grande tension électrique et sont beaucoup plus légères. Il est donc plus simple d’atteindre des densités énergétiques élevées, dépassant les 200 Wh/kg. A titre de comparaison, la pile sodium-ion française n’atteint que 90 Wh/kg. « Mais attention, ce n’est qu’un premier prototype. Quand Sony a sorti sa première batterie lithium-ion en 1991, la densité énergétique était de 110 Wh/kg. Or, nous avons beaucoup plus de connaissances sur les batteries aujourd’hui. Nous nous allons pouvoir monter plus vite en performance. Mais on ne fera jamais mieux que le lithium-ion », souligne Jean-Marie Tarascon, chimiste du solide au CNRS, enseignant au Collège de France et directeur du RS2E (Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie), un groupement français qui réunit laboratoires publics et industriels privés.

Un processus industriel similaire

En revanche, la durée de vie du prototype est d’ores et déjà excellente. Avec 2 000 cycles de charge et de décharge, les chercheurs français obtiennent d’emblée une performance équivalente aux batteries lithium-ion actuelles. Autre avantage : le processus de fabrication industriel est similaire au lithium-ion. « Pour un industriel, l’adoption du sodium-ion ne sera pas compliquée », souligne Jean-Marie Tarascon.

L’avenir de la batterie sodium-ion semble donc prometteur. Mais pour quelles applications ? Selon M. Tarascon, les secteurs de l’informatique mobile et de l’automobile ne seront pas très intéressés, car trop obsédés par la densité énergétique et l’autonomie. « En revanche, la batterie sodium-ion est un bon candidat pour le stockage de masse en réseau, par exemple pour les champs éoliens ou photovoltaïques. Actuellement, on utilise pour le stockage de masse des batteries sodium-soufre qui ont l’inconvénient de ne fonctionner qu’à haute température (270-350 °C, ndlr). Ce qui réduit l’efficacité énergétique. Quant à la technologie lithium-ion, elle serait beaucoup trop cher dans ce contexte », explique le chercheur.

Une batterie qui restitue 92 % de charge au bout de trois mois d’hibernation

Comme toutes les batteries à sels fondus, elle doit être chauffée pour fonctionner. Celle-ci nécessite une température de 180 °C. Une fois chargée, la batterie est refroidie pour que l'électrolyte se solidifie et bloque le mouvement des ions. Il suffit ensuite de la chauffer de nouveau pour pouvoir récupérer l'énergie emmagasinée. La batterie testée a pu restituer 92 % de sa charge au bout de 12 semaines.

Le prototype actuel tient dans la main, mais les chercheurs estiment qu'il est possible d'augmenter considérablement sa taille. En théorie, la batterie a une densité de 260 wattheures par kilogramme. Elle est aussi peu chère à produire. Les matériaux du prototype coûtent 23 dollars par kilowattheure, un prix que les chercheurs pensent pouvoir baisser à 6 dollars en incluant du fer, soit 15 fois moins que les batteries lithium-ion.

« Dans ce domaine, les Français sont à la pointe, derrière les Japonais », assure Jean-Marie Tarascon. Une avance qu’il faut désormais exploiter.