Les batteries sodium-ion contiennent du sodium – une substance très courante présente dans le sel de table – au lieu du lithium. Crédit : Chalmers
À mesure que la société s’éloigne des combustibles fossiles, la demande de batteries augmente. Parallèlement, cette augmentation est susceptible d’entraîner une pénurie de lithium et de cobalt, éléments essentiels des types de batteries les plus répandus. Une solution alternative pourrait être celle des batteries sodium-ion, qui utilisent principalement comme matières premières du sel de table et de la biomasse issue du secteur forestier.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers, en Suède, montrent que ces batteries sodium-ion ont un impact climatique équivalent à celui de leurs homologues lithium-ion – sans risque de manquer de matières premières.
« Les matériaux que nous utiliserons dans les batteries du futur seront importants pour pouvoir passer aux énergies renouvelables et à un parc de véhicules sans énergie fossile », déclare Rickard Arvidsson, professeur agrégé d’analyse des systèmes environnementaux à Chalmers.
Selon la loi sur les matières premières critiques de la Commission européenne, la demande de matières premières critiques pour batteries devrait augmenter de façon exponentielle à mesure que les pays de l’UE passent aux systèmes d’énergies renouvelables et aux véhicules électriques. La transition verte nécessitera également une production plus locale de batteries et d’autres nouvelles technologies sans énergie fossile, et un approvisionnement constant en matières premières est nécessaire pour répondre à la demande. Dans le même temps, une telle production comporte un risque élevé de rupture d’approvisionnement, en raison du nombre limité de sources d’approvisionnement en matières premières.
« Les batteries au lithium-ion sont en train de devenir une technologie dominante dans le monde et elles sont meilleures pour le climat que la technologie fossile, notamment en matière de transport. Mais le lithium constitue un goulot d’étranglement. On ne peut pas produire des batteries au lithium au même rythme que celui des voitures électriques, et les gisements risquent de s’épuiser à long terme », explique Rickard Arvidsson. En outre, les matériaux critiques pour les batteries, tels que le lithium et le cobalt, sont en grande partie extraits dans quelques endroits seulement dans le monde, ce qui présente un risque pour l’approvisionnement.
Les batteries sodium-ion offrent une technologie prometteuse
Le développement de nouvelles technologies de batteries avance rapidement dans la recherche de la prochaine génération de stockage d’énergie durable – qui devrait de préférence avoir une longue durée de vie, avoir une densité énergétique élevée et être facile à produire. L’équipe de recherche de Chalmers a choisi d’examiner les batteries sodium-ion, qui contiennent du sodium – une substance très courante présente dans le chlorure de sodium courant – au lieu du lithium. Dans une nouvelle étude, ils ont réalisé ce qu’on appelle une évaluation du cycle de vie des batteries, dans laquelle ils ont examiné leur impact total sur l’environnement et les ressources lors de l’extraction et de la fabrication des matières premières.
Rickard Arvidsson, professeur agrégé, Département d’économie et de gestion de la technologie, Université de technologie Chalmers, Suède. Crédit : Chalmers
« Nous sommes arrivés à la conclusion que les batteries sodium-ion sont bien meilleures que les batteries lithium-ion en termes d’impact sur la rareté des ressources minérales, et équivalentes en termes d’impact climatique. Selon le scénario que vous envisagez, ils se situent entre 60 et un peu plus de 100 kilogrammes d’équivalents de dioxyde de carbone par kilowattheure de capacité théorique de stockage d’électricité, ce qui est inférieur à ce qui avait été rapporté précédemment pour ce type de batterie sodium-ion. Il s’agit clairement d’une technologie prometteuse », déclare Rickard Arvidsson.
Les chercheurs ont également identifié un certain nombre de mesures susceptibles de réduire davantage l’impact climatique, telles que le développement d’un électrolyte meilleur pour l’environnement, car il représente une grande partie de l’impact total de la batterie.
L’énergie verte nécessite un stockage d’énergie
Les batteries sodium-ion actuelles devraient déjà être utilisées pour le stockage d’énergie stationnaire dans le réseau électrique et, avec un développement continu, elles seront probablement également utilisées dans les véhicules électriques à l’avenir.
« Le stockage de l’énergie est une condition préalable au développement de l’énergie éolienne et solaire. Étant donné que le stockage se fait principalement avec des batteries, la question est de savoir de quoi seront fabriquées ces batteries ? La demande accrue de lithium et de cobalt pourrait constituer un obstacle à ce développement », estime Rickard Arvidsson.
Le principal avantage de cette technologie réside dans le fait que les matériaux contenus dans les batteries sodium-ion sont abondants et peuvent être trouvés partout dans le monde. Une électrode des batteries – la cathode – contient des ions sodium comme porteur de charge, et l’autre électrode – l’anode – est constituée de carbone dur qui, dans l’un des exemples étudiés par les chercheurs de Chalmers, peut être produit à partir de la biomasse de l’industrie forestière. . En termes de processus de production et de géopolitique, les batteries sodium-ion constituent également une alternative susceptible d’accélérer la transition vers une société sans énergie fossile.
« Les batteries basées sur des matières premières abondantes pourraient réduire les risques géopolitiques et la dépendance à l’égard de régions spécifiques, tant pour les fabricants de batteries que pour les pays », explique Rickard Arvidsson.
En savoir plus sur l’étude
L’étude est une évaluation prospective du cycle de vie de deux cellules de batterie sodium-ion différentes, où l’impact sur l’environnement et les ressources est calculé du début à la fin, c’est-à-dire depuis l’extraction des matières premières jusqu’à la fabrication d’une cellule de batterie. L’unité fonctionnelle de l’étude est une capacité théorique de stockage d’électricité de 1 kWh au niveau de la cellule.
Les deux types de cellules de batterie reposent principalement sur des matières premières abondantes. L’anode est constituée de carbone dur provenant soit de lignine d’origine biologique, soit de matières premières fossiles, et la cathode est constituée de ce qu’on appelle le « blanc de Prusse » (constitué de sodium, de fer, de carbone et d’azote). L’électrolyte contient un sel de sodium. La production est modélisée pour correspondre à une production future à grande échelle. Par exemple, la production actuelle de cellules de batterie repose sur la production actuelle à grande échelle de batteries lithium-ion dans des giga-usines.
Deux mix électriques différents ont été testés, ainsi que deux types différents de méthodes dites d’allocation, c’est-à-dire l’allocation des ressources et des émissions. Une méthode où l’impact sur le climat et les ressources est réparti entre les coproduits en fonction de la masse, et une méthode où tout l’impact est attribué au produit principal (la batterie sodium-ion et ses composants et matériaux).
L’étude a été financée par l’Agence suédoise de l’énergie par le biais du programme Battery Fund.
