Des sociétés énergétiques mondiales comme Tesla et Sonnen font la une des journaux pour avoir installé d’énormes batteries lithium-ion à l’échelle du réseau électrique dans des endroits comme l’Australie, Porto Rico et les États-Unis. Il serait donc facile de supposer que le lithium-ion est le seul choix pour le support de batterie des services d’alimentation. Alors que les batteries au lithium-ion représentent 59% du stockage sur réseau électrochimique, d’autres technologies de batteries existent. L’un d’eux est le soufre de sodium (NaS).
Les batteries NaS entrent dans une catégorie appelée batteries à haute température. On les appelle ainsi parce que des températures élevées sont nécessaires pour maintenir les matériaux d’anode et de cathode à l’état fondu pour que la batterie fonctionne. En fonctionnement, la réaction chimique qui se produit crée suffisamment de chaleur pour maintenir l’état fondu. Ce n’est qu’au démarrage ou lorsque la batterie est inactive que le chauffage externe doit se produire.
L’utilisation du sodium fondu comme anode (électrode négative) et du soufre fondu comme cathode (électrode positive) ont été développées pour la première fois par Ford Motor Company dans les années 1960. La température de fonctionnement de 300-350 ° C – nécessaire pour maintenir le sodium et le soufre à l’état fondu — ainsi que les dangers du métal sodique hautement réactif, posaient des dangers pour l’utilisation de la batterie NaS dans les véhicules électriques (VE) sur les routes. Finalement, Ford a abandonné l’idée des véhicules électriques.
NGK a développé une capacité importante de batterie au soufre sodique (NaS) à l’échelle du réseau dans le monde entier. (Source de l’image: NGK)
Le spécialiste de la céramique NGK Insulators, au Japon, a commencé à travailler avec le concept NaS en 1989. NGK a ajouté une fine membrane électrolytique en céramique d’alumine bêta entre les matériaux fondus. Pendant la décharge, la membrane céramique ne laisse passer que des ions sodium chargés positivement, du sodium fondu négatif au soufre fondu positif. Pendant la charge, le processus est inversé. En collaboration avec la Tokyo Electric Power Company (TEPCO), NGK est entré en production avec sa batterie stationnaire NaS commerciale pour le support du réseau d’énergie renouvelable en 2002.
NGK a trouvé d’autres applications au Japon pour sa batterie NaS, y compris le nivellement de charge dans les parcs éoliens et d’autres services de réseau. La technologie s’est répandue dans d’autres parties du monde. À ce jour, plus de 300 MW de stockage NaS sont en place dans 170 pays. Cela représente environ 3% du stockage total du réseau électrochimique.
Selon l’Agence Internationale des Énergies Renouvelables (IRENA) dans son rapport d’octobre 2017 sur le stockage d’électricité et les énergies renouvelables, la densité énergétique d’une batterie NaS se situe entre 140 et 300 watt-heures/litre (Wh/L). C’est un peu moins que les 500 Wh / L d’une batterie lithium-ion de génération actuelle. Les NaS offrent une durée de vie beaucoup plus longue — plus de 5 000 cycles de charge et de décharge. C’est presque le double de ce qui est possible avec une batterie au lithium-ion. Les NaS offrent également des coûts légèrement inférieurs (en grande partie parce qu’ils sont fabriqués à partir de matériaux bon marché et abondants) par rapport aux batteries lithium-ion.
Remplacement de la membrane Céramique
L’un des facteurs limitant l’acceptation des batteries à haute température a été la nature fragile de la membrane céramique entre les composants anode et cathode fondus. La membrane mince en papier est facilement endommagée lorsque la batterie est en fonctionnement. Aujourd’hui, un groupe de recherche du MIT a publié un article dans Nature détaillant l’utilisation d’un treillis métallique pour remplacer la membrane en céramique dans les batteries à haute température.
L’approche adoptée par l’équipe du MIT a consisté à remplacer la fonction de la membrane céramique fragile par un treillis métallique plus robuste et flexible, spécialement revêtu. Après avoir expérimenté une variété de matériaux, les meilleurs résultats ont été obtenus en utilisant un treillis d’acier recouvert d’une solution de nitrure de titane. Il en a résulté une batterie réalisable et moins coûteuse.
L’équipe a également trouvé quelque chose d’inattendu. Citant un communiqué de presse du MIT, « La membrane avait joué son rôle — permettant sélectivement le passage de certaines molécules tout en bloquant d’autres — d’une manière entièrement différente, en utilisant ses propriétés électriques plutôt que le tri mécanique typique basé sur la taille des pores dans le matériau (céramique). »
« Je considère cela comme une percée », a déclaré le professeur du MIT Donald Sadoway, dans le communiqué de presse du MIT. « Le fait que vous puissiez construire une batterie de type sodium-soufre, ou une batterie de type sodium / chlorure de nickel, sans recourir à l’utilisation de céramique fragile et cassante — cela change tout », a-t-il déclaré.
Les batteries au lithium-ion resteront le premier choix pour l’électronique personnelle et pour alimenter les véhicules électriques dans un avenir prévisible. Cependant, le potentiel des batteries à haute température — en particulier celles utilisant du sodium et du soufre fondus – pourrait aider à réduire les coûts et à améliorer la fiabilité des réseaux énergétiques qui dépendent de sources d’énergie renouvelables.
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Le rédacteur en chef Kevin Clemens écrit sur des sujets liés à l’énergie, à l’automobile et aux transports depuis plus de 30 ans. Il est titulaire d’une maîtrise en Génie des Matériaux et en Éducation à l’Environnement et d’un doctorat en Génie Mécanique, spécialisé en aérodynamique. Il a établi plusieurs records du monde de vitesse terrestre sur des motos électriques qu’il a construites dans son atelier.
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